Алюминий и его соединения. Биологическая роль

Классификация ван-дер-ваальсовых сил

 

Ван-дер-ваальсовое взаимодействие состоит из трех типов слабых взаимодействий:

• Ориентационные силы, диполь-дипольное притяжение. Осуществляется между молекулами, являющимися постоянными диполями. Примером может служить HCl в жидком и твердом состоянии. Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна кубу расстояния между диполями.
• Дисперсионное притяжение (лондоновские силы). Взаимодействием между мгновенным и наведенным диполем. Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между диполями.
• Индукционное притяжение. Взаимодействие между постоянным диполем и наведенным (индуцированным). Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между диполями.

 

 

Алюминий и его соединения. Биологическая роль

Алюминий — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов. Относится к группе лёгких металлов. Na₃AlF₆, алунита KA1(S0₄)₂ • 2А1(ОН)₃, шпинели MgAl₂0₄, встречается в виде драгоценных камней — это корунд,окрашенный, бла­годаря примесям, в различные цвета (рубин — красный, сапфир — голубой, вос­точный аметист -— фиолетовый, изумруд — зеленый).

Главный способ получения алюминия — это электролиз при 1000 °С предва­рительно очищенного А1₂0₃, растворенного в расплаве криолита Na₃[AlF₆] в спе­циальных аппаратах — электролизерах. Катодом служит подина электролизера, анодом — угольный электрод. схему процесса можно представить так:

А1₂0₃ <-> А1³⁺ + А10₃^3- (диссоциация в расплаве)

катод(-) анод (+)

А1³⁺ + Зё = А1 4 АlO₃^3- - 12ё = 2А1₂0₃ + 30₂

Поскольку на аноде выделятся кислород, угольные электроды постепенно сгорают с образованием СО и СО₂ и требуют постоянного обновления. Алюми­ний собирается на дне электролизера и периодически выпускается через летку. Полученный металл (чистота -98,5—99,8 %) очищают (рафинируют) различны­ми способами.

 

В атмосфере фтора и хлора алюминий горит, с бромом — взрывает. В при­сутствии воды, катализирующей процесс, он активно взаимодействует с йодом.

Реакции алюминия с серой, азотом, фосфором, углеродом, аммиаком требуют значительного нагревания:

2A1 + 3S=A1₂S₃, 2А1 + N₂ = 2A1N, А1 + Р = А1Р, 4А1 + ЗС = А1₄С₃, 2А1 + 2NH₃ = 2A1N + ЗН,.

Например, с азотом и углеродом они протекают, соответственно, при 800 и 2000 °С. При повышенных температурах водород, не взаимодействуя химически с алюминием, растворяется в нем.

Алюминий активно, с выделением большого количества тепла восстанавли­вает многие металлы из их оксидов. Этот способ получения металлов носит на­звание алюмотермии:

3Fe₃0₄ + 8А1 = 4А1₂0₃ + 9Fe + 3300 кДж.

Он широко используется при получении хрома, марганца, ванадия, ферро­сплавов и др.

Соединения алюминия (+3) с водородом

Гидрид алюминия (АlН₃)_n представляет собой полимер белого цвета, пос­троенный из октаэдров А1Н₆ (атомы алюминия находятся в октаэдрическом ок­ружении атомов водорода), объединенных трехцентровыми двухэлектронными связями А1-Н-А1 в трехмерную сетку. Таким образом, гидрид алюминия, как и гидриды бора, — это соединения с дефицитом валентных электронов.

Гидрид алюминия в обычных условиях — твердое нелетучее вещество, нерастворимое в полярных растворителях. (А1Н₃)_п гидролизуется с выделением водорода. Может участвовать в реакциях присоединения из-за наличия Зр-орбитали.

Гидрид алюминия получают косвенным путем посредством взаимодействия алюмогидрида лития Li[AlH4] с А1С1₃ в эфирных растворах:

А1С1₃ + Li[AlH₄] = LiCl + А1Н₃.

Комплексные гидриды алюминия Li[AlH₄], K[A1H₄] и т. п. более устойчивы по сравнению с (А1Н₃)_n, но менее стабильны, чем однотипные соединения бора (например, Li[BH₄]). Их можно получить путем взаимодействия в эфирном гастворе по реакциям:

LiH + А1Н₃ = Li[AlH₄],

4LiH + АС1₃ = Li[AlH₄] + 3LiCl.

Они представляют собой белые твердые вещества, являющиеся сильными зосстановителями и легко разлагающиеся водой:

Li[AlH₄] + 4Н₂0 = А1(ОН)₃ + LiOH + 4Н₂.

 

Оксид и гидроксид алюминия (+3)

Оксид алюминия представляет собой белое тугоплавкое вещество.

В растворимое состояние Al₂0₃ можно перевести сплавлением с пиросульфатами щелочных металлов, которые в этом случае будут проявлять кислотную функцию:

А1₂0₃ + ЗК₂S₂О₇ = AL₂(SO₄)₃ + ЗК₂SO₄.

При добавлении к растворам солей алюминия щелочи в осадок выпадает белая студенистая масса гидроксида алюминия А1(ОН)₃. В действительности состав и строение гидроксида не отвечает приведенной формуле и существенно зависит от условий его синтеза и дальнейшего хранения.

Соли алюминия (+3)

Подавляющее большинство солей алюминия хорошо растворимо в воде (кро- ve силикатов, фосфата, фторида). Все они в той или иной степени подвергаются гидролизу:

А1С1₃ + Н₂0 = A10HCL₂ + НС1,

А10НС1₂ + Н₂0 = А1(ОН)₂С1 + НС1,

A1₂S₃ + 6Н₂0 = 2А1(ОН)₃ + 3H₂S.

Многие из них при выпадении в осадок образуют кристаллогидраты, например, A1₂(S0₄)₃ • 18Н₂0, A1(N0₃)₃ • 9Н₂0. С сульфатами щелочных металлов, тал­лия, иона аммония сульфат алюминия образует двойные соли -— алюминиевые квасцы общей формулы Me₂S0₄ • A1₂(S0₄)₃ • 24Н₂0, где Me — ионы калия, натрия, аммония и т. д. Соли слабых кислот (H₂S, Н₂С0₃ и т. п.) в водных растворах не образуются.

Среди s- и р-металлов ион алюминия А1³⁺ является лучшим комплексообразователем. Причина этого состоит в том, что этот ион характеризу­ется большим положительным зарядом, малым размером и наличием свободных S-, р- и d-орбиталей. Наиболее характерными координационными числами иона А1³⁺ являются 4 и 6. Примеры некоторых комплексных соединений алюминия были приведены выше. Помимо этого существуют цианидные, роданидные, оксо- латные комплексы [A1(CN)₄] ^-_{_}, [A1(CNS)₄]^-, [А1(С₂0₄) с координационным чис­лом 4. Получены аммиачные комплексы с большими координационными числами (от 5 до 9), устойчивые в области низких температур.

Соединения алюминия в низших степенях окисления (+1, +2)

Низшие галогениды алюминия А1С1, AlBr в обычных условиях весьма неус­тойчивы. Например, полученный по реакции в закрытом сосуде

2A1+A1CL = ЗА1С1

монохлорид алюминия А1С1 при понижении температуры (ниже 600 °С) тут же диспропорционирует (идет обратный процесс). Нестабильны в обычных услови­ях A1₂S, АlO.

Биологическая роль алюминия: Алюминий концентрируется главным образом в сыворотке крови, легких, печени, костях, почках, ногтях, волосах, входит в структуру нервных оболочек мозга человека; влияет на развитие эпителиальной и соединительной тканей, на регенерацию костных тканей, влияет на обмен фосфора. Алюминий оказывает воздействие на ферментативные процессы.