Роль металлов в жизни человека

Металл (название происходит от латинского "metallum" — шахта) — группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокая тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и др. К металлам относятся примерно 70 % всех химических элементов.

Роль металлов в жизни человека обозначилась уже с доисторических времен. Первые металлы, с которыми познакомился человек, были медь, золото, серебро, ртуть, железо, олово, свинец. Целые эпохи стали «металлическими»: эпоха меди сменилась эпохой бронзы. На смену бронзе пришел «железный век ». В начале ХIХ века был открыт алюминий. А через полвека человек освоил его производство. Началась эпоха алюминия.

Алюминий – «крылатый металл»

«Крылатые металлы» – обобщенный термин, которым принято называть алюминий, титан и различные сплавы на их основе. Разумеется, эти металлы востребованы во всех отраслях промышленности, но основное их применение – авиация.

История мировой авиации тесно связана с историей создания алюминиевых и титановых сплавов. Более того, для многих стран путь в небо определяется именно «гонкой за металл». И чем прочнее, гибче и надежнее становился алюминий, тем выше, дальше и безопаснее летали самолеты.

Много ли алюминия в природе

Алюминия в земной коре - 8%. Алюминий по распространенности в земной коре занимает 1-е место среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая лишь кислороду и кремнию, с которыми в виде алюмосиликатов составляет больше 82 % массы земной коры. В свободном состоянии алюминий не встречается. Значит алюминий - химически активный металл.

Кто открыл алюминий

Одна красивая легенда гласит, что однажды к римскому императору Тиберию пришёл ювелир с металлической, небьющейся обеденной тарелкой, изготовленной, якобы из глинозёма. Тарелка была очень светлой и блестела, как серебро. По всем признакам она должна быть алюминиевой. При этом ювелир утверждал, что только он и боги знают, как получить этот металл из глины. Тиберий, опасаясь, что металл из легкодоступной глины может обесценить золото и серебро, приказал отрубить человеку голову. Очевидно, данная легенда весьма сомнительна, так как самородный алюминий в природе не встречается, а во времена Римской империи не могло быть технических средств, которые позволили бы извлечь алюминий из глинозёма.

Лишь почти через 2000 лет — в 1825 году, датский физик Ханс Христиан Эрстед получил несколько миллиграммов металлического алюминия. До конца XIX века алюминий в промышленных масштабах не производился. Только в 1854 году Анри Сент-Клер Девиль изобрёл первый способ промышленного производства алюминия. В 1855 году был получен первый слиток металла массой 6 – 8 кг.

Можно ли получить алюминий из глины

В чистом виде алюминий не встречается в силу своей высокой химической активности. Он преимущественно встречается в виде соединений с кислородом и кремнием – алюмосиликатов.

Рудами алюминия могут служить лишь породы, богатые глиноземом (Al2O3) и залегающие крупными массами на поверхности земли. К таким породам относятся бокситы – основные руды для получения алюминия. Алюминий в них содержится в виде гидроокисей. Химический состав бокситов сложен: 28-70 % глинозема; 0,5 – 20 % кремнезема; 2-50 % окиси железа; 0,1 – 10 % окиси титана.

Последнее время в качестве руды стали применять нефелины и алуниты. Крупные месторождения бокситов находятся на Урале, в Тихвинском районе Ленинградской области и в Алтайском и Красноярском краях.

Когда алюминий был дороже золота

В 1825 году, когда открыли алюминий, он стоил в 1500 раз дороже железа (сейчас – втрое). Даже 30 лет спустя на слиток алюминия, демонстрировавшийся на Всемирной выставке в Париже, смотрели как на драгоценность. В 1852 г. Килограмм алюминия стоил на 1200 $ - дороже золота!

Что великого сделал Чарльз Холл

К концу XX века алюминий стал намного дешевле, т. к. Чарльз Холл изобрел способ получения алюминия электролизом.

Метод Холла позволил получать сравнительно недорогой алюминий в больших масштабах. Если с 1855 до 1890г. по методу Сент-Клер Девиля было произведено лишь 200 тонн алюминия, то за следующее десятилетие по новому методу уже 28 тыс. тонн!

Какие они - самые примечательные свойства алюминия

Алюминий широко используется в электротехнике, благодаря высо- кой электропроводности и легкости. При одинаковом электросопротивлении алюминиевый провод весит в двое меньше медного.

Алюминий входит в состав известных сплавов, используемых в самолетостроении. Используемые свойства: легкость, прочность, коррозионная стойкость (устойчивость в воздуху и воде).

Алюминий широко распространен в быту, благодаря легкости, прочности, коррозионной устойчивости, нетоксичности.

Почему XX век называют веком алюминия

Сплавы на основе алюминия используются во многих отраслях машиностроения, в строительстве и авиационной промышленности. Алюминий имеет важное преимущество перед железом: он не ржавеет.

Из алюминия делают бытовую посуду, а также фольгу толщиной менее 0,001 мм. Благодаря высокой электропроводности, алюминий используется в электротехнике.

Способность алюминия восстанавливать металлы из оксидов при высоких температурах послужила основой метода алюмотермии – восстановлении тугоплавких металлов, например, хрома и марганца из их оксидов.

Т. к. алюминий обладает хорошей отражающей способностью, то он идет на производство зеркал и серебристой краски. Природное соединение алюминия – корунд (Al2O3) обладает высокой твердостью и тугоплавкостью, поэтому его используют для получения абразивных и огнеупорных материалов. Рубин, сапфир, аметист – окрашенные примесями разновидности корунда исполь- зуются в лазерах, часовой и ювелирной промышленности.

Опасен ли алюминий для организма

Алюминий плохо усваивается растениями из почвы и попадает в организм человека в небольших количествах. Но техногенное загрязнение алюминием окружающей среды, экологические проблемы, широкое применение алюминия в быту может приводить к непривычно высокому для организма человека уровню поступления алюминия. Алюминий легко образовывает соединения с белками, накапливаясь в почках, костной ткани, нервах. Избыточное накопление алюминия в организме может влиять на состояние опорно-двигательного аппарата, почек. Также неблагоприятно алюминий влияет на нервную систему – происходит ухудшение памяти, возникает нервозность.

Глава III Выводы по теоретическим исследованиям

Наши поиски и исследования дали возможность нам сделать для себя некоторые выводы и дополнительно узнать, что: а) Наименование самого металла происходит от латинского названия квасцов

(alumen –«горькая соль» ) KAl(SO4)2 · 12H2O

Иначе его называют глинием, т. к. алюминий входит в состав глины б) Алюминий – занимает третье место после кислорода и кремния и первое среди металлов по распространенности в земной коре ( 8,8 %) в) Из алюмосиликатов, которые выветриваются из полевого шпата ортоклаза, слюды и нефелинов, образуются – глина (главная составная ее часть - каолин-

Al2O3 ·2SiO2 · 2 H2O), кварцевый песок(SiO2), бокситы(Al2O3 · 2 H2O) и корунд (Al2O3). Встречаются и окрашенные кристаллы корунда – драгоценные камни - рубин и сапфир. Все это - природные материалы, в алюминий находится в связанном состоянии.

В свободном состоянии алюминий не встречается.

Отсюда вывод - алюминий достаточно химически активный металл.

г) Алюминий - нетипичный металл, его оксид и гидроксид обладают амфотерными свойствами д) Алюминий – самый используемый в жизни металл после железа, т. к.

• сплавы на основе алюминия (дюралюмин, силумин) сочетают легкость с высокой механической прочностью. Поэтому они используются во многих отраслях машиностроения, в строительстве и авиационной промышлен- ности (за что алюминий и называют «крылатым металлом»)

• алюминий имеет еще одно преимущество перед железом: он не ржавеет, имеет хорошую коррозионную стойкость. Высокая прочность и хорошая коррозионная стойкость обеспечивается за счет оксидной пленки – Al2O3, которая защищает металл от воды и дальнейшего окисления металла кислородом воздуха. Пленка тончайшая, но она обладает твердостью, близкой к твердости алмаза и при этом имеет высокую температуру плавления (tпл = 20500С)

• алюминием покрывают чугунные и стальные изделия с целью повышения их коррозионной стойкости

• т. к. алюминий пластичный, нетоксичный, обладает хорошей тепло-проводностью, то из него делают бытовую посуду, а при 100 – 1500С из него удается получить фольгу толщиной менее 0,01 мм, поэтому она применяется в производстве конденсаторов и как оберточный материал

• т. к. алюминий обладает высокой электропроводностью, то он используется в электротехнике - из него изготовляют алюминиевые провода. Алюминиевые провода намного легче медных, что компенсирует меньшую электропроводность алюминия по сравнению с медью(2/3 от меди)

• алюминий – активный металл, поэтому его используют в качестве восстановителя для получения некоторых редких металлов в свободном виде

• оксид алюминия (корунд) обладает высокой твердостью и тугоплавкостью ( tпл. = 2050 0C), поэтому его используют для получения абразивных и огнеупорных материалов

ГЛАВА IV Практические исследования

3. 1 Внимательно посмотрим на алюминий

Алюминий – серебристо-белый легкий металл, плавящийся при температуре 6600C. Очень пластичный, легко вытягивается в проволоку и раскатывается в листы: из него можно изготовить фольгу, толщиной менее 0,01 мм. Алюминий обладает очень большой тепло- и электропроводностью. Его сплавы с различными металлами прочны и легки.

Как можно снять оксидную пленку

Мы соскоблили наждачной бумагой матовую оксидную пленку с алюминиевой пластинки. Проявился яркий металлический блеск алюминия. Вывод: алюминий покрыт тонкой, но очень прочной оксидной пленкой.

Мы погрузили алюминиевую пластинку в дистиллированную воду, зачистили ее наждаком под водой и оставили ее на несколько часов. На поверхности пластинки наблюдали пузырьки газа. Вывод: если снять оксидную пленку, алюминий начинает взаимодействовать с водой - при этом выделяется газ – водород.

Оксидную пленку можно растворить в кислоте и в щелочи, тогда реакция с водой начинает протекать гораздо энергичнее.

Кусочки алюминия мы поместили в две пробирки. В одну из них добавили раствор соляной – HCl (либо серной кислоты –H2SO4), в другую – раствор щелочи -NaOH. Наблюдали медленное растворение оксидной пленки, а затем энергичное взаимодействие металла с водой и кислотой, с водой и щелочью. Металл растворялся и при этом выделялся водород, который мы подожгли спичкой – слышали характерный звук – «пах». Вывод: оксидную пленку можно растворять растворами кислот и щелочей.

Можно ли расплавить алюминий в школьной лаборатории

Конец металлической проволоки нагревали на пламени спиртовки. Проволока внезапно провисла. Расплавленный алюминий (tпл. = 660 0C) оказался в чехле из оксида алюминия (tпл. = 2050 0C) , т. к. нижний конец проволоки - его чехольчик, раздувается от стекающего туда расплавленного алюминия. Вывод: а/алюминий покрыт тонкой, но тугоплавкой и очень прочной оксидной пленкой; б/ алюминий расплавить в школьной лаборатории можно, но увидеть его в расплавленном состоянии нельзя: он «спрятан в чехле».

Попробуем сделать «алюминиевый самолетик»

Мы изготовили модель самолета и решили отделать его корпус алюминиевой фольгой. У нас это получилось. Вывод: алюминий – очень пластичный и прочный металл.

Исследуем «химическое лицо» алюминия

Кусочки алюминия мы поместили в две пробирки. В одну из них добавили раствор соляной – HCl (либо серной кислоты –H2SO4), в другую – раствор щелочи - NaOH. Мы наблюдали медленное растворение оксидной пленки, а затем энергичное взаимодействие металла с водой и кислотой, с водой и щелочью. Вывод: а)алюминий – нетипичный металл, т. к. он может реагировать как с кислотой, так и со щелочью (типичные металлы со щелочами не взаимодействуют!); б)оксид алюминия – Al2O3 обладает двойственными функциями – может реагировать как с растворами кислот, так и щелочей, т. е. обладает амфотерными свойствами (от греч. «амфотерос» - и тот и другой )

В пробирку мы поместили несколько кусочков алюминия и добавили раствор азотной кислоты. Наблюдали растворение металла и выделение газа – оксида азота (II)- NO , который превращался в бурый газ – оксид азота (IV) - NO2.

Мы поместили в пробирки кусочки алюминия и добавили по несколько капель концентрированных кислот - серной и азотной. Признаков реакции не наблюдали. Вывод: алюминий пассивируется от действия указанных концентрированных кислот (явление, описанное М. В. Ломоносовым).

3. 6 Почему лучше не мыть алюминиевую посуду с содой

Сода – NaHCO3 в водном растворе обладает щелочной реакцией (мы это проверили с помощью индикаторной полоски). А в ходе эксперимента мы выяснили, что алюминий реагирует со щелочью. Вывод: алюминиевую посуду мыть с содой нежелательно.

3. 7 Может ли алюминий вдруг покраснеть

Конец алюминиевой проволоки мы протравили в растворе кислоты (можно и в щелочи), а затем опустили в раствор медного купороса. Конец проволоки мгновенно «покраснел» - покрылся красноватым налетом меди.

Глава V Выводы по практическим исследованиям а) Мы познакомились с внешним видом алюминия, некоторыми его физическими свойствами: алюминий – серебристо – белый металл, с характерным металлическим блеском, легкий, пластичный, с хорошей теплопроводностью.

б) Убедились в том, что алюминий покрыт защитной пленкой – очень тонкой, прочной, тугоплавкой.

в) Исследовали химическую природу защитной пленки и апробировали возможности удаления ее с поверхности металла. Убедились в том, что защитная пленка – это окисленный на поверхности металл. Пленка практически останавливает дальнейшее окисление алюминия и препятствует его взаимодействию с водой. Ее присутствие влияет на общую активность металла.

г) Нам удалось удалить пленку двояко: механическим путем (соскабливанием) и химическим путем (растворением ее в растворе кислоты, либо щелочи). На основании этого делаем вывод о природе оксида алюминия: оксид алюминия обладает двойственными функциями, он – амфотерен.

д) Мы исследовали химический характер алюминия: испытали его отношение к воде, кислотам, щелочам, солям. В результате пришли к выводу, что алюминий весьма активен, если нет защитной пленки Al2O3. В то же время мы убедились, что алюминий нетипичный металл, т. к. в отличие от типичных металлов он может реагировать не только с кислотами, но и со щелочами.

е) С помощью химического эксперимента мы разобрались в вопросе, почему не рекомендуется мыть алюминиевую посуду с содой: мы убедились, что сода обладает щелочной реакцией, поэтому сделали вывод - возможна ее реакция с алюминием.

ж) Когда мы очистили алюминиевую проволоку от пленки, подержав ее в растворе щелочи, а затем опустили в раствор медного купороса, то увидели как алюминий «покраснел». Это алюминий покрылся налетом красной меди. Теперь мы знаем, что алюминий активный восстановитель - он восстановил медь из ее соли – сульфата меди (II).