Az alábbi tartalmat jelenleg INGYENES hozzáféréssel tekinted meg.
Amennyiben szeretnél teljes hozzáférést az oldalhoz, kérjük regisztrálj, jelentkezz be, és vásárold meg a szükséges elektronikus licencet vagy írd be a nyomtatott könyv hátuljában található kódot!


A III. főcsoport eleme az alumínium
A III. főcsoport fémeit földfémeknek is nevezik, mivel oxidjaik vízben oldhatatlanok (régiesen: föld, például timföld). Ide tartozik az alumínium (Al), amely a földkéregben előforduló ásványok igen gyakori eleme. Elnevezése a latin „alumen” (timsó) szóból származik. Az alumínium a vas után a legfontosabb ipari fém.
Vizsgáljuk meg az alumínium tulajdonságait a kihelyezett alumíniumtárgyak alapján! (Alufólia, alumíniumdrót, alumíniumlemez stb.) Vizsgáljuk meg elektromos vezetését!
Alumíniumtárgyak

Alumíniumtárgyak

Az alumínium ezüstfehér, jól nyújtható, hengerelhető könnyűfém. A hőt és az elektromosságot jól vezeti.
Az oxigénnel szobahőmérsékleten reagál, felületén összefüggő oxidréteg alakul ki. Ez védi meg a fémet a környezeti hatásoktól. Ha a védőréteget eltávolítjuk, az alumínium könnyen reagál.
Tegyünk alumínium drótdarabkát desztillált vízbe, egy másikat higany-klorid-oldatba (HgCl2)! A higany-klorid leoldja a védő oxidréteget. Ez utóbbit néhány percnyi várakozás után öblítsük le, majd ezt is tegyük desztillált vízbe!
Alumínium vízben (1) és higany-klorid-oldatban (2).A higany-kloriddal kezelt alumínium miért bontja a vizet (3, 4)?

Alumínium vízben (1) és higany-klorid-oldatban (2).
A higany-kloriddal kezelt alumínium miért bontja a vizet (3, 4)?

A védőrétegétől megfosztott alumínium a vizet hidrogénfejlődés közben bontja. A reakció nem olyan heves, mint az alkálifémek esetében.
Az alumíniumatom külső elektronhéján 3 elektron van.
Az alumínium-hidroxid (Al(OH)3) fehér pelyhes csapadék formájában válik ki.
Tegyünk két kémcsőbe alumíniumport! Öntsünk az egyikbe sósavat, a másikba nátrium-hidroxid-oldatot! Tartsunk égő gyújtópálcát a kémcsövek nyílásához!
Az alumínium sósavban és nátrium-hidroxid-oldatban hidrogénfejlődés közben oldódik.Az alumínium mely tulajdonságát mutatják a reakciók?

Az alumínium sósavban és nátrium-hidroxid-oldatban hidrogénfejlődés közben oldódik.
Az alumínium mely tulajdonságát mutatják a reakciók?

Az alumínium savakban és az eddig tárgyalt fémektől eltérően lúgokban (pl. nátrium-hidroxidban) is oldódik hidrogéngáz fejlődése közben. Az alumínium amfoter (kettős jellemű) elem.
Szórjunk gázlángba alumíniumport!
Az alumínium magas hőmérsékleten meggyújtható, vakító lánggal ég el alumínium-oxiddá (Al2O3).
A reakció során a környezet energiája jelentősen nő. Az alumínium több fém-oxidból képes a fémiont redukálni, ez a termitreakció.
Aluminotermit reakcióval elő lehet állítani ónt is. Miért? Nézd meg a fémek helyét a redukáló sorban!

Aluminotermit reakcióval elő lehet állítani ónt is. Miért? Nézd meg a fémek helyét a redukáló sorban!

Készítsük el az ábrán látható összeállítást! 15 g vas(III)-oxidot és 4 g finom alumíniumpor keverékét tegyük májkrémes konzervdobozba! (Kevés keveréket tegyünk félre!) Helyezzük a keverék közepébe az 1 g vasporból és 1 g porított kálium-permanganátból készített gyújtókeveréket, erre 1 g magnéziumport, majd fedjük le termitkeverékkel! A gyújtókeverék közepébe szúrjunk be kb. 5 cm hosszú, lecsiszolt magnéziumszalagot! A dobozt állítsuk vasháromlábra helyezett virágcserépbe, és tegyünk alá homokkal megtöltött nagyobb fémdobozt! A magnéziumszalagot gyújtsuk meg, és azonnal menjünk távolabb a reakció helyétől!
A termitreakció egyik gyakorlati alkalmazása a sínhegesztés

A termitreakció egyik gyakorlati alkalmazása a sínhegesztés

Az aluminotermit reakció rendkívül heves, 2000–2500 °C hőmérsékleten játszódik le. Az alumínium a vas-oxidot redukálja.
A keletkező vas olvadt állapotban kifolyik a cserépből. A termitreakciót vasúti sínek összehegesztésére és egyes fémek előállítására használják.
Melyik vegyület okozza a bauxitminták színét?

Melyik vegyület okozza a bauxitminták színét?

Az alumíniumgyártás
A fémek túlnyomó többsége, így az alumínium is a természetben vegyületeiben fordul elő. Alumíniumot nagyon sokféle kőzet tartalmaz. Azokat a kőzeteket és ásványokat, amelyekből a fémek gazdaságosan előállíthatók, érceknek nevezzük. Az ércekben a fémek oxidált állapotban vannak. Ezekből a kohászat az elemi fémet redukcióval állítja elő.
Az alumínium érce a bauxit, amely víztartalmú, szennyezett alumínium-oxid (Al2O3 · H2O). A bauxit sárgásvöröses színezetű, földes külsejű kőzet. Főbb szennyező anyagai: víztartalmú vas-oxidok, kvarc, titán- és vanádium-oxidok, kémiailag kötött víz.

A nedves őrlés golyós malomban történik.Hogyan lehet az alumínium vegyületeit az ércből kioldani?

A nedves őrlés golyós malomban történik.
Hogyan lehet az alumínium vegyületeit az ércből kioldani?

Az alumínium gyártásának két fő munkaszakasza van:
1. A timföldgyártás
Lényege: tiszta alumínium-oxid, a timföld (Al2O3) előállítása.
Nyersanyaga: a bauxit.
Kémiai folyamatai: az alumíniumvegyületek kioldása nátrium-hidroxiddal, majd a termék izzítása.
2. A timföld elektrolízise
Lényege: a timföld redukciója olvadékelektrolízissel fém alumíniummá.
Kiindulási anyaga: a timföld.
Kémiai folyamata: az olvadékban az Al3+ elektromos árammal történő redukálása.
Az alumínium-hidroxid szűrése tárcsás vákuumszűrővel

Az alumínium-hidroxid szűrése tárcsás vákuumszűrővel

A timföldgyártás
A bauxitot porrá őrlik, majd nátrium-hidroxiddal magas hőmérsékleten és nyomáson kioldják az alumínium vegyületeit. A bauxit lúgban nem oldódó része az ún. „vörösiszap”. Szűrés után az alumíniumot tartalmazó vegyületeket vízzel hígítják. Víz hatására rosszul oldódó alumínium-hidroxid (Al(OH)3)-csapadék válik le.
Szűrés után az alumínium-hidroxidot izzítással (1200 és 1300 °C közötti hőmérsékleten) timfölddé alakítják.
Elektrolizáló csarnok, előtérben az alumíniumkohóval

Elektrolizáló csarnok, előtérben az alumíniumkohóval

A timföld elektrolízise
A timföld olvadáspontja magas (2000 °C felett van). Ezért a timföldet az 1000 °C körül olvadó kriolitban oldják, és az oldott timföldet elektrolizálják.
Elektrolízis a pozitív és negatív ionokat tartalmazó oldatoknak vagy olvadékoknak (elektrolitoknak) egyenáram hatására bekövetkező redoxifolyamata.
Az olvadékban Al3+- és O2–-ionok találhatók. Egyenáram hatására az ionok az ellentétes töltésű elektródokhoz vándorolnak, és ott semlegesítődnek.
Az olvadékban:.

Az alumíniumkohó vázlata.Milyen változás játszódik le az elektrolitban, ha abba egyenáramot vezetünk?

Az alumíniumkohó vázlata.
Milyen változás játszódik le az elektrolitban, ha abba egyenáramot vezetünk?


Az áramforrás negatív pólusánál (katódnál):
Az áramforrás pozitív pólusánál (anódnál):
Az elektrolizáló berendezés: az alumíniumkohó.
A kohó működéséhez nagy áramerősségű egyenáram szükséges. (5–7 V-os 13000–35000 A-es áram.) Az elektrolizáló berendezés pozitív és negatív pólusa szén. Az elektrolízis során képződő alumínium a kád alján gyűlik össze. (A felette maradó sóolvadék védi az újraoxidálódástól.) A pozitív pólusnál (az elektrolitba benyúló grafitnál) felszabaduló oxigén a szénnel reagál, miközben szén-dioxid keletkezik. Az anódszén tehát állandóan fogy, ezért pótolni kell.
Az alumíniumgyártás végterméke. Keress az interneten olyan leírásokat, amelyek alumíniumötvözetek alkalmazásáról szólnak!

Az alumíniumgyártás végterméke. Keress az interneten olyan leírásokat, amelyek alumíniumötvözetek alkalmazásáról szólnak!

A kohóból kikerülő alumíniumot gyakran tovább tisztítják (finomítják), esetenként ötvözik.
Az alumíniumot és ötvözeteit nagy mennyiségben, sokféle területen alkalmazzák. A nagy tisztaságú színalumíniumból vezetékeket, lemezeket, fóliákat készítenek. A tiszta fém elektromos vezető tulajdonsága ugyanis igen jó, keménysége az ötvözetekhez képest lényegesen kisebb.
Alumíniumötvözeteket sok helyen alkalmaznak, nagy előnyük a kis sűrűségük. Háztartási eszközöket, ablakkereteket, állványokat, sátrak vázszerkezetét, csöveket készítenek belőle. Nagy mennyiségű ötvözetet használ fel az ipar a közlekedési eszközök gyártása során is.
KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK
1. Miért készíthető alumíniumból fólia?

2. Miért passzív fém korróziós szempontból az alumínium?

3. Hogyan távolítható el a védőréteg az alumínium felszínéről?

4. Sorold fel az alumínium megismert reakcióit!

5. Milyen összefüggés van a kőzet és az érc között?

6. Mi a fémek előállításának lényege kémiai szempontból?

7. Mi a kiindulási anyaga és a terméke: a timföldgyártásnak és a timföld elektrolízisének?

8. Környezetedben milyen alumíniumból készült eszközöket, tárgyakat láttál? Készíts képgyűjteményt!
Jó, ha tudod!
Az alumínium élettani hatásáról
Az alumíniumvegyületek a légzőrendszeren keresztül, a táplálékkal és az ivóvízzel juthatnak a szervezetbe. Az oldható alumíniumvegyületek az egészséget károsítják. Mivel az alumínium savakkal és lúgokkal egyaránt reagál, javasoljuk az alumínium edények, ételhordók más anyagokból készült tárgyakra történő kicserélését!
Az alumíniumvegyületek a földkéregben mindenütt előfordulnak. Savanyú közegben ezeknek a vegyületeknek az oldódása jobb, így a savas esők hatására megnövekszik az élő vizek alumíniumion-tartalma. Az elsavasodás mértékének jele egyes halak eltűnése, az állat- és növényfajok számának csökkenése. A halak eltűnését a lecsökkent pH és az alumíniummérgezés együttesen okozza.
Tiszta alumínium-oxid (Al2O3) a korund, amelynek egyes színezett fajtái drágakövek: rubin (piros), zafír.
A korund (Al2O3) a természetben előforduló kristályos alumínium-oxid, a gyémánt után a legkeményebb ásvány. Az ipar a timföld speciális olvasztásával kiváló tűzálló és nagy szilárdságú mesterséges korundot állít elő. Jó hővezető tulajdonsága, tűzállósága, szívóssága miatt gyújtógyertyák, esztergakések, forgácsolószerszámok készítésére is használják.
A rubin a korund természetben előforduló piros színű módosulata, a legdrágább ékkövek közé tartozik. Nagy keménysége miatt igen nehéz csiszolni. Sok rubin koronázási és más értékes ékszer pompás darabja. Arról ismerhetők fel, hogy átengedik a rövidhullámú ultraibolya sugarakat. Az 1900-as évek elejétől léteznek mesterségesen előállított rubinok is, amelyek számos tulajdonságukban megfelelnek a valódiaknak. A nagy méretű rubinkristály jelentős áthatoló képességű lézersugár előállítására használható.
Zafírnak nevezünk minden drágakő-minőségű, nem piros korundot. Ha nem jelöljük meg külön a színét (pl. zöld zafír), a zafír a kék színű korundot jelenti.
Csiszolt rubinokból készített nyakék
Korund (1), rubin- (2) és zafírmodellek (3, 4)
Csiszolt rubinokból készített nyakékKorund (1), rubin- (2) és zafírmodellek (3, 4)
Érdekességek
Néhány adat az alumínium múltjából
Plinius az ókori történész írta le, hogy egy ismeretlen mester ezüstként csillogó edénykét hozott Tiberius római császárnak ajándékként. Azt állította, hogy a fémet agyagos földből nyerte. A császár féltve a kincstár nemesfémkészletét, az ajándékozót lefejeztette, művét szétroncsoltatta, hogy senki se tudja ezt a fémet előállítani.
Kínában van egy síremlék, amely a 3. században készült, díszítő elemeinek egy része 85 tömeg% alumíniumot tartalmaz.
1855-ben a párizsi világkiállításon mutatták be a világ első 1 kg-os alumíniumtömbjét, amelyre III. Napóleon különösen büszke volt. „Agyagezüstnek” nevezték, és az ára ugyanannyi volt, mint az aranyé. Az első időkben ezért ékszereket, drága evőeszközöket készítettek belőle. Ezek azonban nem voltak tartósak. Az alumínium ára rohamosan esett, 10 év alatt tizedére, majd elektromos úton történő előállítása után még tovább csökkent.