Меню

Важнейшие природные соединения алюминия таблица



Алюминий (Al)

алюминий

  • Обозначение — Al (Aluminium);
  • Период — III;
  • Группа — 13 (IIIa);
  • Атомная масса — 26,981538;
  • Атомный номер — 13;
  • Радиус атома = 143 пм;
  • Ковалентный радиус = 121 пм;
  • Распределение электронов — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 ;
  • t плавления = 660°C;
  • t кипения = 2518°C;
  • Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,61/1,47;
  • Степень окисления: +3, 0;
  • Плотность (н. у.) = 2,7 г/см 3 ;
  • Молярный объем = 10,0 см 3 /моль.

Алюминий (квасцы) впервые был полуен в 1825 году датчанином Г. К. Эрстедом. Изначально, до открытия промышленного способа получения, алюминий был дорооже золота.

Алюминий является самым распространенным металлом в земной коре (массовая доля составляет 7-8%), и третьим по распространенности среди всех элементов после кислорода и кремния. В свободном виде в проироде алюминий не встречается.

Важнейшие природные соединения алюминия:

атом алюминия
Рис. Строение атома алюминия.

Алюминий химически активный металл — на его внешнем электронном уровне находятся три электрона, которые участвуют в образовании ковалентных связей при взаимодействии алюминия с другими химическими элементами (см. Ковалентная связь). Алюминий — сильный восстановитель, во всех соединениях проявляет степень окисления +3.

При комнатной температуре алюминий вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в атмосферном воздухе, с образованием прочной оксидной пленки, которая надежно препятствует процессу дальнейшего окисления (корродирования) металла, в результате чего химическая активность алюминия снижается.

Благодаря оксидной пленке алюминий не вступает в реакцию с азотной кислотой при комнатной температуре, поэтому, алюминиевая посуда является надежной тарой для хранения и трансопртирования азотной кислоты.

Физические свойства алюминия:

  • металл серебристо-белого цвета;
  • твердый;
  • прочный;
  • легкий;
  • пластичный (протягивается в тонкую проволоку и фольгу);
  • обладает высокой электро- и теплопроводностью;
  • температура плавления 660°C
  • природный алюминий состоит из одного изотопа 27 13Al

Химические свойства алюминия:

  • при снятии оксидной пленки алюминий реагирует с водой:
    2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2;
  • при комнатной температуре вступает в реакции с бромом и хлором с образованием солей:
    2Al + 3Br2 = 2AlCl3;
  • при высокой температуре алюминий реагирует с кислородом и серой (реакция сопровождается выделением большого кол-ва тепла):
    4Al + 3O2 = 2Al2O3 + Q;
    2Al + 3S = Al2S3 + Q;
  • при t=800°C реагирует с азотом:
    2Al + N2 = 2AlN;
  • при t=2000°C реагирует с углеродом:
    2Al + 3C = Al4C3;
  • восстанавливает многие металлы из их оксидов — алюмотермией (при t до 3000°C) получают промышленным способом вольфрам, ванадий, титан, кальций, хром, железо, марганец:
    8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe;
  • с соляной и разбавленной серной кислотой реагирует с выделением водорода:
    2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2;
    2Al + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2;
  • с концентрированной серной кислотой реагирует при высокой температуре:
    2Al + 6H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O;
  • со щелочами реагирует с выделением водорода и образованием комплексных солей — реакция идет в несколько этапов: при погружении алюминия в раствор щелочи происходит растворение прочной защитной оксидной пленки, которая находится на поверхности металла; после растворения пленки, алюминий, как активиный металл, реагирует с водой с образованием гидроксида алюминия, который взаимодействует со щелочью, как амфотерный гидроксид:
    • Al2O3+2NaOH = 2NaAlO2+H2O — растворение оксидной пленки;
    • 2Al+6H2O = 2Al(OH)3+3H2↑ — взаимодействие алюминия с водой с образованием гидроксида алюминия;
    • NaOH+Al(OH)3 = NaAlO2+2H2O — взаимодействие гидроксида алюминия со щелочью
    • 2Al+2NaOH+2H2O = 2NaAlO2+3H2↑ — суммарное уравнение реакции алюминия со щелочью.

Соединения алюминия

Al2O3 (глинозем)

Оксид алюминия Al2O3 является белым, очень тугоплавким и твердым веществом (в природе тверже только алмаз, карборунд и боразон).

Свойства глинозема:

  • не растворяется в воде и вступает с ней в реакцию;
  • является амфотерным веществом, реагируя с кислотами и щелочами:
    Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O;
    Al2O3 + 6NaOH + 3H2O = 2Na3[Al(OH)6];
  • как амфотерный оксид реагирует при сплавлении с оксидами металлов и солями, образуя алюминаты:
    Al2O3 + K2O = 2KAlO2.

В промышленности глинозем получают из бокситов. В лабораторных условиях глинозем можно получить сжигая алюминий в кислороде:
4Al + 3O2 = 2Al2O3.

Применение глинозема:

  • для получения алюминия и электротехнической керамики;
  • в качестве абразивного и огнеупорного материала;
  • в качестве катализатора в реакциях органического синтеза.

Al(OH)3

Гидроксид алюминия Al(OH)3 является белым твердым кристаллическим веществом, которое получается в результате обменной реакции из раствора гидроксида алюминия — выпадает в виде белого студенистого осадка, кристаллизующегося со временем. Это амфотерное соединение почти не растворимое в воде:
Al(OH)3 + 3NaOH = Na3[Al(OH)6];
Al(OH)3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O.

  • взаимодействие Al(OH)3 с кислотами:
    Al(OH)3+3H + Cl = Al 3+ Cl3+3H2O
  • взаимодействие Al(OH)3 со щелочами:
    Al(OH)3+NaOH — = NaAlO2 — +2H2O

Гидроксид алюминия получают путем действия щелочей на растворы солей алюминия:
AlCl3 + 3NaOH = Al(OH)3 + 3NaCl.

Получение и применение алюминия

Алюминий достаточно трудно выделить из природных соединений химическим способом, что объясняется высокой прочностью связей в оксиде алюминия, поэтому, для промышленного получения алюминия применяют электролиз раствора глинозема Al2O3 в расплавленном криолите Na3AlF6. В результате процесса алюминий выделяется на катоде, на аноде — кислород:

Исходным сырьем служат бокситы. Электролиз протекает при температуре 1000°C: температура плавления оксида алюминия составляет 2500°C — проводить электролиз при такой температуре не представляется возможным, поэтому оксид алюминия растворяют в расплавленном криолите, и уже затем полученный электролит используют при электролизе для получения алюминия.

Применение алюминия:

  • алюминиевые сплавы широко применяются в качестве конструкционных материалов в автомобиле-, самолето-, судостроении: дюралюминий, силумин, алюминиевая бронза;
  • в химической промышленности в качестве восстановителя;
  • в пищевой промышленности для изготовления фольги, посуды, упаковочного материала;
  • для изготовления проводов и проч.

Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию 🙂 Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:

Источник

Алюминий. Химия алюминия и его соединений

Бинарные соединения алюминия

Алюминий

Положение в периодической системе химических элементов

Алюминий расположен в главной подгруппе III группы (или в 13 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение алюминия и свойства

Электронная конфигурация алюминия в основном состоянии :

+13Al 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 1s 2s 2p 3s 3p

Электронная конфигурация алюминия в возбужденном состоянии :

+13Al * 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2 1s 2s 2p 3s 3p

Алюминий проявляет парамагнитные свойства. Алюминий на воздухе быстро образует прочные оксидные плёнки, защищающие поверхность от дальнейшего взаимодействия, поэтому устойчив к коррозии.

Физические свойства

Алюминий – лёгкий металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Обладает высокой тепло- и электропроводностью.

Температура плавления 660 о С, температура кипения 1450 о С, плотность алюминия 2,7 г/см 3 .

Алюминий — один из наиболее ценных цветных металлов для вторичной переработки. На протяжении последних лет, цена на лом алюминия в пунктах приема непреклонно растет. По ссылке можно узнать о том, как сдать лом алюминия.

Нахождение в природе

Алюминий — самый распространенный металл в природе, и 3-й по распространенности среди всех элементов (после кислорода и кремния). Содержание в земной коре — около 8%.

В природе алюминий встречается в виде соединений:

Бокситы Al2O3 · H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3) — гидрат оксида алюминия.

Читайте также:  Заполните таблицу рыбы земноводные пресмыкающиеся птицы млекопитающие

Корунд Al2O3. Красный корунд называют рубином, синий корунд называют сапфиром.

Способы получения

Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. Поэтому традиционные способы получения алюминия восстановлением из оксида протекают требуют больших затрат энергии. Для промышленного получения алюминия используют процесс Холла-Эру. Для понижения температуры плавления оксид алюминия растворяют в расплавленном криолите (при температуре 960-970 о С) Na3AlF6, а затем подвергают электролизу с углеродными электродами. При растворении в расплаве криолита оксид алюминия распадается на ионы:

На катоде происходит восстановление ионов алюминия:

Катод: Al 3+ +3e → Al 0

На аноде происходит окисление алюминат-ионов:

Суммарное уравнение электролиза расплава оксида алюминия:

Лабораторный способ получения алюминия заключается в восстановлении алюминия из безводного хлорида алюминия металлическим калием:

AlCl3 + 3K → Al + 3KCl

Качественные реакции

Качественная реакция на ионы алюминия — взаимодействие избытка солей алюминия с щелочами . При этом образуется белый аморфный осадок гидроксида алюминия.

Например , хлорид алюминия взаимодействует с гидроксидом натрия:

AlCl3 + 3NaOH → Al(OH)3 + 3NaCl

При дальнейшем добавлении щелочи амфотерный гидроксид алюминия растворяется с образованием тетрагидроксоалюмината:

Обратите внимание , если мы поместим соль алюминия в избыток раствора щелочи, то белый осадок гидроксида алюминия не образуется, т.к. в избытке щелочи соединения алюминия сразу переходят в комплекс:

AlCl3 + 4NaOH = Na[Al(OH)4] + 3NaCl

Соли алюминия можно обнаружить с помощью водного раствора аммиака. При взаимодействии растворимых солей алюминия с водным раствором аммиака также в ыпадает полупрозрачный студенистый осадок гидроксида алюминия.

AlCl3 + 3NH3·H2O = Al(OH)3 ↓ + 3NH4Cl

Al 3+ + 3NH3·H2O = Al(OH)3 ↓ + 3NH4 +

Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида алюминия с раствором аммиака можно посмотреть здесь.

Химические свойства

1. Алюминий – сильный восстановитель . Поэтому он реагирует со многими неметаллами .

1.1. Алюминий реагируют с галогенами с образованием галогенидов:

1.2. Алюминий реагирует с серой с образованием сульфидов:

1.3. Алюминий реагируют с фосфором . При этом образуются бинарные соединения — фосфиды:

Al + P → AlP

1.4. С азотом алюминий реагирует при нагревании до 1000 о С с образованием нитрида:

2Al + N2 → 2AlN

1.5. Алюминий реагирует с углеродом с образованием карбида алюминия:

1.6. Алюминий взаимодействует с кислородом с образованием оксида:

Видеоопыт взаимодействия алюминия с кислородом воздуха (горение алюминия на воздухе) можно посмотреть здесь.

2. Алюминий взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Реагирует ли алюминий с водой? Ответ на этот вопрос вы без труда найдете, если покопаетесь немного в своей памяти. Наверняка хотя бы раз в жизни вы встречались с алюминиевыми кастрюлями или алюминиевыми столовыми приборами. Такой вопрос я любил задавать студентам на экзаменах. Что самое удивительное, ответы я получал разные — у кого-то алюминий таки реагировал с водой. И очень, очень многие сдавались после вопроса: «Может быть, алюминий реагирует с водой при нагревании?» При нагревании алюминий реагировал с водой уже у половины респондентов))

Тем не менее, несложно понять, что алюминий все-таки с водой в обычных условиях (да и при нагревании) не взаимодействует. И мы уже упоминали, почему: из-за образования оксидной пленки . А вот если алюминий очистить от оксидной пленки (например, амальгамировать), то он будет взаимодействовать с водой очень активно с образованием гидроксида алюминия и водорода:

2Al 0 + 6 H2 + O → 2 Al +3 ( OH)3 + 3 H2 0

Амальгаму алюминия можно получить, выдержав кусочки алюминия в растворе хлорида ртути ( II ):

3HgCl2 + 2Al → 2AlCl3 + 3Hg

Видеоопыт взаимодействия амальгамы алюминия с водой можно посмотреть здесь.

2.2. Алюминий взаимодействуют с минеральными кислотами (с соляной, фосфорной и разбавленной серной кислотой). При этом образуются соль и водород.

Например , алюминий бурно реагирует с соляной кислотой :

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2

2.3. При обычных условиях алюминий не реагирует с концентрированной серной кислотой из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки. При нагревании реакция идет, образуются оксид серы (IV), сульфат алюминия и вода:

2.4. Алюминий не реагирует с концентрированной азотной кислотой также из-за пассивации.

С разбавленной азотной кислотой алюминий реагирует с образованием молекулярного азота:

При взаимодействии алюминия в виде порошка с очень разбавленной азотной кислотой может образоваться нитрат аммония:

2.5. Алюминий – амфотерный металл, поэтому он взаимодействует с щелочами . При взаимодействии алюминия с раствором щелочи образуется тетрагидроксоалюминат и водород:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2

Видеоопыт взаимодействия алюминия со щелочью и водой можно посмотреть здесь.

Алюминий реагирует с расплавом щелочи с образованием алюмината и водорода:

2Al + 6NaOH → 2Na3AlO3 + 3H2

Эту же реакцию можно записать в другом виде (в ЕГЭ рекомендую записывать реакцию именно в таком виде):

2Al + 6NaOH → 2NaAlO2 + 3H2↑ + 2Na2O

2.6. Алюминий восстанавливает менее активные металлы из оксидов . Процесс восстановления металлов из оксидов называется алюмотермия .

Например , алюминий вытесняет медь из оксида меди (II). Реакция очень экзотермическая:

2Al + 3CuO → 3Cu + Al2O3

Еще пример : алюминий восстанавливает железо из железной окалины, оксида железа (II, III):

Восстановительные свойства алюминия также проявляются при взаимодействии его с сильными окислителями: пероксидом натрия, нитратами и нитритами в щелочной среде, перманганатами, соединениями хрома (VI):

Источник

№13 Алюминий

История открытия:

Около 1807 г. Дэви, пытавшийся осуществить электролиз глинозема, дал название предполагаемому в нем металлу алюмиум (Alumium). Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути. В 1827 г. Велер выделил металлический алюминий более эффективным способом — нагреванием безводного хлористого алюминия с металлическим калием.

Нахождение в природе, получение:

По распространенности в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Содержание алюминия в земной коре по данным различных исследователей составляет от 7,45% до 8,14% от массы земной коры. В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах).
Корунд: Al2O3 — относится к классу простых оксидов, и иногда образует прозрачные драгоценные кристаллы — сапфира, и, с добавлением хрома, рубина. Накапливается в россыпях.
Бокситы: Al2O3*nH2O — осадочные алюминиевые руды. Содержат вредную примесь — SiO2. Бокситы служат важным сырьем для получения алюминия, а также красок, абразивов.
Каолинит: Al2O3*2SiO2*2H2O — минерал подкласса слоистых силикатов, главная составная часть белой, огнеупорной, и фарфоровой глины.
Современный метод получения алюминия был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF3 с последующим электролизом с использованием графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке. Для производства 1 т алюминия требуется 1,9 т глинозёма и 18 тыс. кВт·ч электроэнергии.

Физические свойства:

Металл серебристо-белого цвета, легкий, плотность 2,7 г/см 3 , температура плавления 660°C, температура кипения 2500°C. Высокая пластичность, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу. Алюминий обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, обладает высокой светоотражательной способностью. Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами.

Читайте также:  Программирование таблиц атол 91ф маркировка

Химические свойства:

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H2O (t°);O2, HNO3 (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной индустрией. Однако, при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH4 + , горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель. Легко реагирует с простыми веществами: кислородом, галогенами: 2Al + 3Br2 = 2AlBr3
С другими неметаллами алюминий реагирует при нагревании:
2Al + 3S = Al2S3 2Al + N2 = 2AlN
Алюминий способен только растворять водород, но не вступает с ним в реакцию.
Со сложными веществами: алюминий реагирует со щелочами (с образованием тетрагидроксоалюминатов):
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2
Легко растворяется в разбавленной и концентрированной серной кислотах:
2Al + 3H2SO4(разб) = Al2(SO4)3 + 3H2 2Al + 6H2SO4(конц) = Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Алюминий восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия): 8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe

Важнейшие соединения:

Оксид алюминия , Al2O3: твердое, тугоплавкое вещество белого цвета. Кристаллический Al2O3 химически пассивен, аморфный — более активен. Медленно реагирует с кислотами и щелочами в растворе, проявляя амфотерные свойства:
Al2O3 + 6НСl(конц.) = 2АlСl3 + ЗН2О Al2O3 + 2NаОН(конц.) + 3Н2О = 2Na[Al(OH)4]
(в расплаве щелочи образуется NaAlO2).
Гидроксид алюминия , Al(OH)3: белый аморфный (гелеобразный) или кристаллический. Практически не растворим в воде. При нагревании ступенчато разлагается. Проявляет амфотерные, равно выраженные кислотные и основные свойства. При сплавлении с NaOH образуется NaAlO2. Для получения осадка Аl(ОН)3 щелочь обычно не используют (из-за легкости перехода осадка в раствор), а действуют на соли алюминия раствором аммиака — при комнатной температуре образуется Аl(ОН)3
Соли алюминия . Соли алюминия и сильных кислот хорошо растворимы в воде и подвергаются в значительной степени гидролизу по катиону, создавая сильнокислотную среду, в которой растворяются такие металлы, как магний и цинк: Al 3+ + H2O =AlOH 2+ + H +
Нерастворимы в воде фторид AlF3 и ортофосфат АlРO4, а соли очень слабых кислот, например Н2СО3, вообще не образуются осаждением из водного раствора.
Известны двойные соли алюминия — квасцы состава MAl(SO4)2*12H2O (M=Na + , K + , Rb + , Cs + , ТI + , NH4 + ), самые распространенные из них алюмокалиевые квасцы KAl(SO4)2*12Н2O.
Растворение амфотерных гидроксидов в щелочных растворах рассматривается как процесс образования гидроксосолей (гидроксокомплексов). Экспериментально доказано существование гидроксомплексов [Аl(ОН)6] 3- , [Аl(ОН)52O)] 2- ; из них первый — наиболее прочный. Координационное число алюминия в этих комплексах равно 6, т.е. алюминий является шестикоординированным.
Бинарные соединения алюминия Соединения с преимущественно ковалентными связями, например сульфид Al2S3 и карбид Аl4С3 полностью разлагаются водой:
Al2S3 + 6Н2О = 2Аl(ОН)3 + 3Н2S Аl4С3 + 12H2O = 4Аl(ОН)3 + 3СН4

Применение:

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость, высокая теплопроводность. Алюминий является важным компонентом многих сплавов (медные — алюминиевые бронзы, магниевые и др.)
Применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования.
Алюминий широко используется и в тепловом оборудовании и в криогенной технике.
Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью напыления делает алюминий идеальным материалом для изготовления зеркал.
Алюминий и его соединения используются в ракетной технике в качестве ракетного горючего. В производстве строительных материалов как газообразующий агент.

Источник

Химические соединения алюминия

Ниже представлен краткий обзор важнейших химических соединений алюминия, которые находятся в природных условиях, а также их промышленного применения.

Что такое химическое соединение?

Химическое соединение алюминия – это вещество, которое образовано из двух или более химических элементов, одним из которых является алюминий. Эти элементы связаны между собой химически, то есть путем ковалентных, ионных или металлических связей. Химическое соединение имеет фиксированный химический состав и постоянную химическую формулу.

Алюминиевые сплавы обычно не являются химическими соединениями. Они являются гомогенными или гетерогенными смесями входящих в них химических элементов или соединений. Поэтому они не имеют фиксированного химического состава и не имеют химической формулы.

Классификация соединений алюминия

Современная классификация соединений алюминия из Энциклопедии Алюминия [4] представлена ниже.

Классификация соединений алюминия [4]

Алюминий в природе

Алюминий является самым распространенным (более 8 % по массе) природным металлическим элементом, а также третьим природным элементом среди всех химических элементов (после кислорода и кремния). Однако из-за высокой химической активности алюминия он почти всегда находится в соединениях с другими элементами и очень редко встречается в природе в виде чистого металла.

Таблица – Доля химических элементов в земной коре

Металлический алюминий

Чистый алюминий – это серебристо-белый, ковкий, пластичный металл с атомным номером 13 и относительной атомной массой 26,98. За небольшими исключениями он находится в химических соединениях в виде Al +3 .

Этот металл обладает амфотерными свойствами. Он реагирует с минеральными кислотами и сильными щелочами. Хотя алюминий является одним из самых химически активных промышленных металлов, он имеет очень высокое сопротивление коррозии. При контакте свежей алюминиевой поверхности с кислородом, водой или другими окислителями на ней мгновенно вырастает плотная оксидная пленка (Al2O3), которая обеспечивает металлу высокую стойкость к коррозии. Эта оксидная пленка растворяется в щелочных растворах с выделением водорода и образованием растворимых щелочноземельных алюминатов [1].

Эта оксидная пленка является стойкой к некоторым кислотам (например, азотной кислоте) и предотвращает дальнейшее химическое воздействие на металл. Однако она растворяется в некоторых кислотах (например, в соляной кислоте или горячей серной кислоте), а также в щелочных растворах, что делает возможным дальнейшие химические реакции на поверхности алюминия.

При повышенных температурах алюминий реагирует:

  • с водой (выше 180 ºС) с образованием гидроксида Al(OH)3 и водорода H2;
  • со многими оксидами металлов с образованием оксида Al2O3 и металла, восстановленного из его оксида.

Последняя реакция применяется при производстве некоторых металлов (алюмотермия), например, марганца и некоторых сплавов, например, ферротитана.

Природные соединения

Минералы

Природные минералы являются химическими соединениями. Алюминий присутствует во многих минералах – более 270 видов – в комбинациях с кислородом, кремнием, щелочными и щелочноземельными металлами и фтором, а также в виде гидроксидов, сульфатов и фосфатов. Например, полевые шпаты – наиболее распространенные минералы земной коры (около 50 %) – являются алюминосиликатами [1]. Ниже представлены важнейшие минералы алюминия из фундаментальной энциклопедии про алюминий [4]

Важнейшие минералы алюминия [4]

Металлический алюминий в природе

Природный металлический алюминий иногда находят как минорную фазу в условиях недостатка кислорода, например, внутри некоторых вулканов. Он также встречается в таких минералах, как берилл, криолит, гранат, шпинель и бирюза [1].

Драгоценные камни

Примеси в кристаллах оксида Al2O3, такие как хром или кобальт дают драгоценные камни рубин и сапфир, соответственно. Чистый оксид Al2O3 известен как корунд – один из самых твердых материалов.

Бокситы

Хотя алюминий и является очень распространенным природным элементом, большинство алюминиевых минералов не могут быть экономически выгодными источниками этого металла. Почти весь металлический первичный алюминий производится из руды, которая называется бокситом (или бокситами) с обобщенной химической формулой (AlOx(OH)3-2x) [1].

Читайте также:  Таблица посадки семян цветов

Бокситы происходят в природе как продукты выветривания коренных пород с низким содержанием железа и кремния в тропических климатических условиях. Природные бокситы содержат различные гидратированные формы оксида алюминия, которые имеют различные кристаллические системы, а также различаются по степени гидратации (количеству молекул воды на одну молекулу Al2O3).

Производство глинозема

Около 90 % алюминиевых руд – бокситов – идет на производство первичного алюминия, остальные 10 % – на другие промышленные применения.

Промышленное производство первичного алюминия имеет две основных стадии:

  • производство из исходной бокситной руды чистого оксида алюминия – глинозема;
  • электрохимическое восстановление этого оксида до металлического алюминия в ванне расплавленного криолита.

Бокситы

Боксит не является минералом и химическим соединением. Это наименование – боксит (или, чаще, бокситы) – применяется для обозначения различных типов алюминиевых руд, которые содержат соединения алюминия, в основном – различные виды гидроксидов.

Промышленные бокситы содержит три основных типа гидроксидных минералов:

Эти типы гидроксидов значительно различаются по таким физическим свойствам, как:

  • содержание воды,
  • кристаллическая система
  • твердость,
  • плотность,
  • температура дегидратации
  • растворимость в технологических растворах.

Обычно природные залежи бокситов состоят из одного из этих типов гидроксидов, хотя в некоторых случаях одна и та же алюминиевая руда может содержать смешанные гидроксиды.

Бокситы различаются по цвету от кремового до темно коричневого при высоком содержании железа.

В состав типичного боксита для промышленного производства алюминия входят следующие соединения:

  • оксид алюминия – Al2O3: 40-60 %
  • оксид кремния – SiO2: 1-6 %
  • оксид железа – Fe2O3: 2-25 %
  • оксид титана – TiO2: 1-5 %
  • оксиды кальция и магния – CaO + MgO: 0,2-0,6 %
  • оксиды других элементов: от 0,01 до 0,4 % (каждого).

Глинозем

Почти весь глинозем получают из бокситов, которые содержат около 50 % оксида Al2O3 в виде гидроксидов. Эту алюминиевую руду обрабатывают в растворе каустической соды под давлением, чтобы растворить оксид алюминия в виде алюмината, и отделить его от красного осадка, содержащего оксиды железа и другие основные примеси. Затем из этого раствора алюмината осаждают кристаллы гидроксида алюминия.

При температуре ниже 700 ºС в технологической массе содержатся следующие различные типы соединений алюминия – его гидроксидов:

  • гиббсит
  • байерит
  • нордстрандид
  • диаспор
  • богемит.

Завершающей технологической операцией производства глинозема является обжиг полученной на предыдущих этапах смеси гидроксидов. Обжиг (кальцинация) производится при температуре 1200 ºС с получением на выходе чистого глинозема с содержанием оксида Al2O3 более 99 %.

Для промышленного производства 1 тонны алюминия требуется около 2 тонн глинозема.

Соединениями алюминия, которые являются наиболее важными для неметаллургических отраслей промышленности – являются его:

  • оксид;
  • сульфат и
  • силикат.

Оксид алюминия

Кислородное соединение алюминия

Оксид алюминия – это одно из его кислородных соединений. Чистый оксид – это белый порошок в виде частиц различной формы и размеров. Из-за своих амфотерных свойств этот оксид растворяется в минеральных кислотах и сильных щелочах. Он может иметь различные модификации. Наиболее стабильным является его альфа-модификация «корунд» (альфа-Al2O3).

Типы оксидов

При дегидратации гидроксидов образуется серия типов оксида Al2O3, которые еще содержат небольшую долю гидроксильных групп и сохраняют некоторую химическую активность. Все оксиды, которые получены при пониженных температурах называют переходными модификациями. При температуре 1400 ºС все переходные модификации превращаются в альфа-модификацию [1].

Анодный оксид

Анодный оксид получают путем электрохимического оксидирования алюминия. Это соединение представляет собой наноструктурированный материал с уникальной структурой. Анодный алюминиевый оксид состоит из цилиндрических пор, которые обеспечивают ему широкое применение в технике. Он является термически и механически устойчивым, оптически прозрачным и обладает высокими электроизоляционными свойствами. Размер пор и толщина анодного оксидного слоя легко регулируется параметрами технологии, что дает возможность его применения не только как защитного декоративного покрытия для алюминиевых изделий, но и как основу для нанотехнологий.

Структура анодного оксидного покрытия

Гидроксиды

Известны различные формы гидроксидов алюминия. Наиболее изученными формами являются тригидроксид Al(OH)3 и оксид-гидроксид AlO(OH). Кроме этих кристаллических форм известны еще несколько других типов [1].

Гидроксид Al(OH)3 применяется в больших объемах для очистки сточных вод, а также для производства других соединений алюминия, в том числе его солей.

Сульфат алюминия

Структура и состав

Сульфат алюминия может существовать с различными пропорциями воды. Обычной формой этого соединения является Al2(SO4)3·18H2O. Он почти нерастворим в обезвоженном спирте, но хорошо растворяется в воде. При температуре выше 770 ºС разлагается до оксида алюминия.

Применение

Находит применение в следующих отраслях промышленности и областях жизни [1, 2]:

  • системы очистки воды и обработки сточных вод;
  • производство бумаги;
  • противопожарная защитная одежда;
  • очистка масел и жиров;
  • гидроизоляция бетона;
  • производство антиперспирантов;
  • выделка кож;
  • производство красок;
  • в сельскохозяйственных пестицидах;
  • производство химикатов;
  • средство для повышения кислотности почв;
  • производство косметики и мыла;
  • в медицинских препаратах.

Квасцы

Сульфат алюминия входит в комбинацию с сульфатами одновалентных металлов с образованием двойных солей, которые называются квасцами. Наиболее важным из этих солей является алюминиевый сульфат калия. Это химическое соединение также известно как калиевые квасцы. Эти квасцы имеют широкое применение с глубокой древности в производстве кожи, лекарств, тканей и красок.

Глины

Глины состоят в основном из алюмосиликатов.

Хлорид

При взаимодействии газообразного хлора с расплавленным алюминием образуется хлорид алюминия. Это соединение наиболее часто применяется как катализатор в реакциях синтеза различных органических соединений. Гидратированный хлорид AlCl3∙H2O, применяется как антипреспирант или дезодорант. Это соединение является одной из нескольких алюминиевых солей, которые применяются к косметической промышленности.

Гексагидратная форма хлорида алюминия применяется:

  • для защитной обработки древесины,
  • как дезинфицирующее средство в животноводстве и при производстве мяса;
  • очистке сырой нефти
  • производство бумаги

Гидрид алюминия

С водородом алюминий образует гидрид AlH3, который широко применяется в органической химии, в том числе, в виде литиевого гидрида алюминия (LiAlH4). Это соединение получают при взаимодействии хлорида алюминия с хлоридом лития.

Интерметаллические соединения

Интерметаллид (интерметаллическое соединение) — это химическое соединение двух или более металлов. Интерметаллиды, как это и должно быть у химических соединений, имеют фиксированное соотношение между своими компонентами. Обычно в интерметаллических соединениях связь между атомами – металлическая.

Интерметаллические соединения имеет большое значение для микроструктуры и свойств алюминиевых сплавов. Например, железо и кремний являются примесями, которые всегда присутствуют в алюминии. Поскольку растворимость железа в твердом алюминии очень мала, то фазы Al-Fe или Al-Fe-Si можно найти в микроструктуре даже сверхчистого алюминия. Этими фазами могут быть интерметаллические соединения FeAl3, Fe3SiAl12, Al2Si2Al9 или FeAl6.

В алюминиевых сплавах насчитывается несколько десятков фаз, которые являются интерметаллическими соединениями. В сложных сплавах типа 2014 (система Al-Cu-Mg-Mn-Fe-Si) эти соединения имеют вид типа (Mn,Fe)3SiAl12 [3].

Таблица – Интерметаллические соединения алюминия [2]

2. Handbook of Aluminum: Vol. 1: Physical Metallurgy and Processes / ed. G. E. Totten, D. S. MacKenzie – 2003.

3. Aluminium and Aluminium Alloys /ed. J.R. Davis – ASM International, 1993.

4. Тринадцатый элемент: Энциклопедия /А. Дроздов – Библиотека РУСАЛа, 2007

Источник

Adblock
detector