Применение алюминия
По применению алюминий занимает одно из первых мест среди металлов. Это обусловлено его невысокой плотностью, высокой прочностью, способностью пассивироваться. Из алюминия изготавливаются химическая аппаратура, электрические провода, конденсаторы. Алюминиевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевой и фармацевтической промышленности для упаковки продуктов и препаратов.
Алюминий характеризуется большой тягучестью и высокой электропроводностью, составляющей приблизительно 0,6 электропроводности меди. С этим связано его использование в производстве электрических проводов (которые при сечении, обеспечивающем равную электропроводность, вдвое легче медных).
Основную массу алюминия используют для получения различных сплавов, которые наряду с хорошими механическими качествами характеризуются легкостью. Особенно важен так называемый дуралюмин (приблизительный состав: 94% Al, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si). Он ценен тем, что изделия из него при равной прочности почти в 3 раза легче стальных. Не говоря уже об авиационной промышленности, для которой легкость материала особенно важна, облегчение металлических конструкций имеет громадное значение для ряда областей техники. Сочетание легкости с прочностью, высокой электро- и теплопроводностью сделало алюминий и его сплавы важнейшими конструкционными материалами в самолетостроении, автостроении, транспортном машиностроении, в электротехнике, для изготовления двигателей внутреннего сгорания и т.п.
Помимо дюралюминия в технике используется и ряд других сплавов на основе алюминий. Из них следует отметить силумин (10-14% Si, 0,1% - Na), применяемый для изготовления различных машинных частей, и гидроналий (3-12% Mg), устойчивый к действию морской воды. Обладающие очень высокой коррозионной стойкостью сплавы алюминия, содержащие одновременно Mg и Si, являются основным материалом для изготовления несущих винтов вертолетов.
Важнейшие соединения алюминия
Окись алюминия представляет собой белую очень тугоплавкую и нерастворимую в воде массу. Природная окись алюминий (минерал корунд), а также полученная искусственно и затем сильно прокаленная, отличается большой твердостью и нерастворимостью в кислотах. В растворимое состояние окись алюминия можно перевести сплавлением со щелочами или с K2S2O7 по реакциям
Al2O3 + 2NaOH => H2O + 2NaAlO2
Al2O3 + 3K2S2O7 => Al2(SO4)3 + 3K2SO4
Обычно загрязненный окисью железа природный корунд вследствие своей чрезвычайной твердости применяется для изготовления шлифовальных кругов, брусков и т.п. В мелко раздробленном виде он под названием наждака служит для очистки металлических поверхностей и изготовления наждачной бумаги. Для тех же целей часто пользуются окисью алюминия, получаемой сплавлением боксита (техническое название алунд).
Теплота образования Al2O3 из элементов составляет 400 ккал/моль. Сжиганием порошка алюминия в токе кислорода может быть получено пламя с температурой до 3500 0С. На этой основе был сконструирован «огненный нож», образуемый пламенем взвешенной в кислороде смеси алюминиевого порошка с железным, вылетающей (под давлением) из длинной стальной трубы. При помощи такого «ножа» удавалось, в частности, разрезать бетонные блоки толщиной более трех метров.
Ввиду нерастворимости Al2O3 в воде отвечающая этому окислу гидроокись [Al(OH)3] может быть получена лишь косвенным путем (исходя из солей). Она представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета, практически нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в кислотах и сильных щелочах. Гидроокись алюминия имеет, следовательно, амфотерный характер. Однако и основные, и особенно кислотные, ее свойства выражены довольно слабо. В избытке NH4OH гидроокись алюминия нерастворима.
Гидроксид алюминия Al(OH)3 полимерное соединение. Так, природный минерал гидраргиллит имеет слоистую кристаллическую решетку (см. рис.). Слои состоят из октаэдров Al(OH)6; между слоями действует водородная связь. Получаемый по обменной реакции гидроксид студенистый белый осадок.
Содержание
Общая характеристика элемента 2
Характеристика простого вещества 3
Получение алюминия 4
Применение алюминия 7
Важнейшие соединения алюминия 8
Окись алюминия 8
Гидроокись алюминия 9
Галиды алюминия 12
Сульфат алюминия 13
Ацетат алюминия 13
Нитрат алюминия 13
Список литературы 15
Общая характеристика элемента
Алюминий в периодической системе Д.И. Менделеева находится в третьей группе. Атом алюминия (1s22s22p63s23p1) больше по размеру, чем атом бора, и обладает меньшей энергией ионизации. Следовательно, неметаллические признаки химического элемента алюминия выражены в меньшей степени, чем химического элемента бора. Для алюминия, как и для бора, наиболее характерна степень окисления +3. Отрицательная степень окисления алюминия проявляется еще реже. Для алюминия (III) наиболее характерны координационные числа 6 и 4:
Координационное число Al (III) Пространственное расположение лигандов Примеры соединений
4 Тетраэдрическое AlCl4-, AlH4-, алюмосиликаты
6 Октаэдрическое Al2O3, AlF63*, AlF3, [Al(OH2)6]3+, [Al(OH)4(OH2)2]-
Алюминий типичный амфотерный элемент. В отличие от бора для него характерны не только анионные, но и катионные комплексы. Так, в зависимости от рН водного раствора существуют катионный аквакомплекс [Al(OH2)6]3+ и анионный гидроксокомплекс [Al(OH)6]3-.
По распространенности в природе алюминий занимает четвертое место (после кислорода, водорода и кремния), причем на его долю приходится около 5,5% общего числа атомов земной коры. В своей геохимической истории алюминий тесно связан с кислородом и кремнием. Способность алюминия давать анионные комплексы определяет нахождение алюминия в виде алюмосиликатов. В алюмосиликатах сосредоточена основная масса алюминия земной коры. Чрезвычайно распространенным продуктом разрушения образованных этими минералами горных пород является глина, основной состав которой (соответствующий каолину) отвечает формуле Al2O3*2SiO2*2H2O. Из природных форм нахождения алюминия наибольшее технологическое значение имеет боксит (Al2O3*xH2O) и криолит (AlF3*3NaF).
Характеристика простого вещества
Алюминий легкий металл, плотност которого при 20 0С составляет 2,7 г/см3, температура плавления 659 0С, температура кипения около 2500 0С. Алюминий кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Он обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью. В окислительной среде, в частности, на воздухе, на алюминии образуется плотная окисная пленка, придающая ему коррозионную стойкость. Алюминий стоек против азотной и органических кислот.
На воздухе алюминий покрывается тончайшей, но очень плотной пленкой окисла, предохраняющей металл от дальнейшего окисления. В связи с этим поверхность его обычно имеет не блестящий, а матовый вид. При накаливании мелко раздробленного алюминия он энергично сгорает на воздухе. Аналогично протекает и взаимодействие его с серой. С хлором и бромом соединение происходит уже при обычной температуре, с йодом при нагревании. При очень высоких температурах алюминий непосредственно соединяется также с азотом и углеродом. Напротив, с водородом он не взаимодействует.
По отношению к воде алюминий практически вполне устойчив. Однако если механическим путем или амальгамированием снять предохраняющее действие оксидной пленки, то алюминий энергично взаимодействует в водой:
2Al + 6H2O => 2Al(OH)3 + 3H2
Сильно разбавленные, а также очень крепкие растворы азотной и серной кислоты на алюминий почти не действуют (устойчивость алюминия позволяет использовать его для изготовления емкостей для хранения и транспортировки азотной кислоты), однако в растворах этих кислот средней концентрации алюминий растворяется. Будучи амфотерным, алюминий растворяется в растворах кислот и щелочей, образуя соответственно катионные и анионные комплексы:
2Al + 6OH3+ + 6H2O => 3H2 + 2[Al(OH2)6]3+
2Al + 6H2O + 6OH- => 3H2 + 2[Al(OH)6]3-
Как в том, так и в другом случае окисление алюминия сопровождается выделением водорода.
Довольно энергично разъедается он также раствором NH4OH. В ряду напряжений алюминий располагается между Mg и Zn. Во всех своих устойчивых соединениях он трехвалентен.
Соединение алюминия с кислородом сопровождается громадным выделением тепла, значительно большим, чем в случае многих других металлов. Ввиду этого при накаливании смеси окисла такого металла с порошком алюминия происходит бурная реакция, ведущая к выделению из взятого окисла свободного металла. Метод восстановления при помощи алюминия (алюминотермия) часто применяется для получения некоторых элементов (хром, марганец, ванадий и др.) в свободном состоянии.
О высокой химической (восстановительной) активности алюминия свидетельствуют также значения его стандартного электродного потенциала в кислой и щелочной среде:
Al3+ + 3e- => Al, 0 = -1,66В
AlO2- + 2H2O + 3e- => Al + 4OH-, 0 = -2,35 В
2Al + 6H2O => 2Al(OH)3 + 3H2
Получение алюминия
Элементарный алюминий получают электролизом раствора Al2O3 (глинозема) в расплавленном криолите. Сырьем для производства алюминия служит глинозем (Al2O3), который получают из различного минерального сырья: бокситов, нефелина, алунита и др. Основным сырьем служат бокситы, содержащие Al(OH)3 или AlOOH, в смеси с окислами железа, кремнеземом и другими примесями. При переработке сырья на глинозем для дальнейшего получения из него алюминия требуется обеспечить производство глинозема высокой степени чистоты, так как примеси могут привести к резким нарушениям процесса электролиза. Производство глинозема весьма сложно. В нем сочетаются химические превращения с рядом физических процессов: тонким измельчением сырья, нагреванием и охлаждением, отстаиванием осадков, фильтрацией и др. В общем, сущность производства глинозема из бокситов заключается в отделении гидроокиси алюминия от других минералов.
Гидроокись алюминия при взаимодействии с содой (спекание) или едким натром (выщелачивание) переводится в алюминат натрия NaAlO2, который растворяется в воде и, таким образом, отделяется от не растворимых в этих условиях окислов железа. Но кремнезем SiO2 частично также растворяется в виде Na2SiO3. Его осаждают из раствора в виде CaO*Al2O3*2SiO2 или Na2O*Al2O3*2SiO2 (обескремнивание) и отфильтровывают. Из чистого алюминатного раствора осаждают Al(OH)3, для чего применяют различные процессы, например карбонизацию барботаж через алюминатный раствор двуокиси углерода, которая связывает ионы Na+ в виде соды. Отделенную от раствора гидроокись алюминия прокаливают (кальцинация), получая продукт, содержащий до 99% Al2O3. Выход окиси алюминия в готовый продукт не превышает 60%.
Производство алюминия осуществляется из глинозема, растворенного в криолите Na3AlF6. Криолит как растворитель глинозема удобен потому, что он достаточно хорошо растворяет Al2O3, не содержит более положительных, чем алюминий, ионов, достаточно электропроводен, но в то же время обеспечивает выделение тепла, необходимого для плавления электролита, образует с глиноземом сплавы, температура плавления который много ниже температуры плавления чистого глинозема (2050 0С). Практически электролиз ведут при содержании в электролите около 10% Al2O3 при 950-1000 0С.
Электролиз Al2O3 можно представить следующей условной схемой. В растворе Al2O3 диссоциирует на ионы
Al2O3 => Al3+ + AlO33-
На катоде разряжаются ионы Al3+:
Al3+ + 33- => Al
На аноде происходит процесс
4AlO33- - 12e- => 2Al2O3 + 3O2
Таким образом, процесс электролиза сводится к выделению на катоде расплавленного алюминия и сгоранию угольного анода за счет выделившегося на нем кислорода.
1. Общая и неорганическая химия, Н.С. Ахметов, Высшая школа, Москва, 2001, 744 с.
2. Общая химическая технология под ред. проф. И.П. Мухленова, т. 2, Высшая школа, Москва, 1977, 288 с.
3. Основы общей химии, Б.В. Некрасов, т. 2, Химия, Москва, 1973, 689 с.
4. Химическая энциклопедия в 5 томах под ред. И.Л. Клунянца, т. 1, Советская энциклопедия, Москва, 1988, 626 с.