Сферы применения алюминия. Коронки из оксида алюминия Высший оксид алюминия и его свойства

Как правило, в качестве сырья для получения оксида алюминия служат бокситы, алуниты, а также нефелины. При содержании в них оксида алюминия более 6−7% производство ведется основным способом - методом Байера, а при меньшем содержании вещества используют метод спекания руды с известью или содой.

Метод Байера - это гидрохимический способ получения глинозема из бокситов. Он представляет собой обработку измельченной породы в шаровых мельницах, затем бокситы обрабатывают щелочными растворами при температуре 225−250°С. Полученный таким образом состав алюмината натрия разбавляют водным раствором и фильтруют.

В процессе фильтрации шлам, содержащий оксид алюминия, свойства которого соответствуют стандартным, подвергают разложению на центрифугах. Выделяется около ½ образовавшегося при этом Аl (ОН) 3 . Его отфильтровывают и прокаливают во вращающихся печах или в кипящем слое при температуре ~ 1200 °C. В результате получается глинозем, содержащий 15−60% α-Аl 2 О 3 . Применение данного метода позволяет сохранить маточный раствор для использования в последующих операциях по выщелачиванию бокситов.

Метод спекания руды с известью или содой работает следующим образом: высококремнистую измельченную руду (нефелин и др.) смешивают с содой и известняком и спекают во вращающихся печах при 1250−1300 °С. Полученную массу выщелачивают водным щелочным раствором. Раствор алюмината Na отделяют от шлама, затем освобождают от SiO 2 , осаждая его в автоклаве при давлении около 0,6 Мпа, а затем известью при атмосферном давлении и разлагают алюминат газообразным СО 2 . Полученный Аl (ОН) 3 отделяют от раствора и прокаливают при температуре около 1200 °C. При переработке нефелина, помимо глинозема, получают Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 и цемент.

При производстве глинозема из алунитов одновременно получают H 2 SO 4 и K 2 SO 4 . Алунитовую руду обжигают при 500−580°С в восстановительной атмосфере и обрабатывают раствором NaOH по способу Байера.

Для производства высокопрочной корундовой керамики применяют порошок оксида алюминия, полученный термическим разложением некоторых солей алюминия, например, азотнокислого, алюмоаммиачных квасцов различной степени чистоты. Оксид алюминия, полученный при разложении солей, является высокодисперсным порошком γ-Al 2 O 3 (при прокаливании до 1200°С) и обладает большой химической активностью.

Для получения ультра- и нанодисперсных порошков Аl 2 O 3 , которые используются в технологии конструкционной и инструментальной керамики, широкое распространение получил способ совместного осаждения гидроксидов (СОГ) и плазмохимического синтеза (ПХС).

Сущность метода СОГ заключается в растворении солей алюминия, например, AlCl 3 в растворе аммиака и последующем выпадении образующихся гидратов в осадок. Процесс ведут при низких температурах и больших сроках выдержки. Полученные гидроксиды сушат и прокаливают, в результате образуется порошок Аl 2 O 3 с размером частиц 10−100 нм.

В технологии ПХС водный раствор Al (NO 3) 3 подается в сопло плазмотрона. В каплях раствора возникают чрезвычайно высокие температурные градиенты, происходит очень быстрый процесс синтеза и кристаллизации Аl 2 O 3 . Частицы порошка имеют сферическую форму и размер 0,1−1 мкм.

В виде самого обычного глинозема, его химическая формула - AL2O3. На вид это кристаллы, не имеющие цвета, которые при температуре в 2044°С начинают плавиться, а при достижении отметки в 3530 °С закипают.

В природном окружении единственной устойчивой модификацией вещества является корунд, имеющий плотность 3,99 г/см3. Это очень твердый образец, принадлежащий к девятому уровню по таблице Мооса. Величина коэффициента преломления составляет: для обыкновенного луча - 1,765, и 1,759 для необыкновенного. В природном окружении оксид алюминия часто содержит в себе различные оксиды металлов, поэтому, минерал корунда может приобретать различные оттенки своей окраски. Например, таковыми являются сапфиры, рубины и другие драгоценные камни. В таком виде оксид алюминия может быть получен и лабораторно-химическим способом. Для этого используют метастабильные формы А12О3 и разлагают их термическим способом. Также в качестве источника получения алюминия оксида лабораторным методом используют

Стандартная модификация соединения представляет собой тетрагоническую кристаллическую решетку, содержащую в своем составе примерно 1-2% воды. Можно получить и аморфный по своей структуре оксид алюминия - алюмогель, для чего гелевидный раствор AL(OH) 3 обезвоживают и получают вещество в виде пористой прозрачной массы.

Алюминия оксид совершенно нерастворим в воде, но может хорошо растворяться в криолите, разогретом до высокой температуры. Вещество амфотерно. Характерно такое свойство синтезированного алюминия оксида, как обратная зависимость температуры его образования и химической активности. Как искусственный (то есть полученный при температуре более 1200°С), так и природный корунд в обычной среде проявляют практически стопроцентную химическую инертность и полное отсутствие гигроскопичности.

Оксид начинает активно проявлять при температурах около 1000°С, когда он начинает интенсивно взаимодействовать с такими веществами, как различные щелочи, карбонаты При этом взаимодействии образуются алюминаты. Более медленно соединение вступает в реакции с SiO2 , а также различного рода шлаками кислыми. В результате этих взаимодействий получаются алюмосиликаты.

Алюмогели и оксид алюминия, которые получены путем обжига любого из гидроксидов алюминия при температуре не менее 550°С, обладают очень высокой гигроскопичностью, отлично вступают в и активно взаимодействуют с кислотными и щелочными растворами.

Как правило, в качестве сырья для получения алюминия оксида служат бокситы, алуниты, а также нефелины. При содержании в них рассматриваемого вещества более 6-7% производство ведется основным способом - методом Байера, а при меньшем содержании вещества используют метод спекания руды с известью или содой. Метод Байера представляет собой обработку измельченной породы в затем бокситы обрабатывают щелочными растворами при температуре 225-250°С. Полученный таким образом состав алюмината натрия разбавляют водным раствором и фильтруют. В процессе фильтрации шлам, содержащий оксид алюминия, свойства которого соответствуют стандартным, подвергают разложению на центрифугах. Такая технология дает возможность получать 50%-ный выход вещества. Кроме того, применение данного метода позволяет сохранить для использования в последующий операциях по выщелачиванию бокситов.

Как правило, полученный синтетическим методом алюминия оксид используют в качестве промежуточного материала для получения чистого алюминия. В промышленности он применяется в качестве сырья для изготовления огнеупорных материалов, абразивных и керамических режущих инструментов. Современные технологии активно применяют монокристаллы оксида алюминия в производстве часов, ювелирных изделий.

Электронная конфигурация внешнего уровня алюминия … 3s 2 3p 1 .

В возбужденном состоянии один из s-электронов переходит на свободную ячейку p-подуровня, такое состояние отвечает валентности III и степени окисления +3.

Во внешнем электронном слое атома алюминия существуют свободные d-подуровни. Благодаря этому его координационное число в соединениях может равняться не только 4 ([А1(ОН) 4 ] -), но и 6 – ([А1(ОН) 6 ] 3-).

Нахождение в природе

Самый распространенный в земной коре металл, общее содержание алюминия в земной коре составляет 8, 8%.

В свободном виде в природе не встречается.

Важнейшие природные соединения – алюмосиликаты:

белая глина Al 2 O 3 ∙ 2SiO 2 ∙ 2H 2 O, полевой шпат K 2 O ∙ Al 2 O 3 ∙ 6SiO 2 , слюда K 2 O ∙ Al 2 O 3 ∙ 6SiO 2 ∙ H 2 O

Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют бокситы А1 2 Оз ∙ nН 2 О, минералы корунд А1 2 Оз и криолит А1Fз ∙3NaF.

Получение

В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом оксида алюминия А1 2 О 3 в расплаве криолита.

Процесс электролиза сводится в конечном итоге к разложению А1 2 Оз электрическим током

2А1 2 Оз = 4А1 + 3О 2 (950 0 C, А1Fз ∙3NaF,эл.ток)

На катоде выделяется жидкий алюминий:

А1 3+ + 3е- = Al 0

На аноде выделяется кислород.

Физические свойства

Легкий, серебристо-белый, пластичный металл, хорошо проводит электрический ток и тепло.

На воздухе алюминий покрывается тончайшей (0,00001 мм), но очень плотной пленкой оксида, предохраняющей металл от дальнейшего окисления и придающей ему матовый вид.

Алюминий легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминиевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевой и фармацевтической промышленности для упаковки продуктов и препаратов.

Химические свойства

Алюминий является весьма активным металлом, немного уступающим по активности элементам начала периода – натрию и магнию.

1. алюминий легко соединяется с кислородом при комнатной температуре, при этом на поверхности алюминия образуется оксидная пленка (слой А1 2 О 3). Эта пленка очень тонкая (≈ 10 -5 мм), но прочная. Она защищает алюминий от дальнейшего окисления и поэтому называется защитной пленкой

4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3

2. при взаимодействии с галогенами образуются галогениды:

с хлором и бромом взаимодействие происходит уже при обычной температуре, с йодом и серой - при нагревании.

2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3

2Al + 3S= Al 2 S 3

3. при очень высоких температурах алюминий непосредственно соединяется также с азотом и углеродом.

2Al + N 2 = 2AlN нитрид алюминия

4Al + 3С = Al 4 С 3 карбид алюминия

C водородом алюминий не взаимодействует.

4. по отношению к воде алюминий вполне устойчив. Но если механическим путем или амальгамированием снять предохраняющее действие оксидной пленки, то происходит энергичная реакция:

2Al + 6Н 2 О = 2Al(ОН) 3 + 3H 2

5. взаимодействие алюминия с кислотами

С разб. кислотами (HCl, H 2 SO 4) алюминий взаимодействует с образованием водорода.

2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2

На холоду алюминий не взаимодействует с концентрированными серной и азотной кислотой.

Взаимодействует с конц. серной кислотой при нагревании

8Al + 15H 2 SO 4 = 4Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 S + 12H 2 O

С разбавленной азотной кислотой алюминий реагирует с образованием NO

Al + 4HNO 3 = Al(NO 3) 3 + NO +2H 2 O

6. взаимодействие алюминия со щелочами

Алюминий, как и другие металлы, образующие амфотерные оксиды и гидроксиды, взаимодействуют с растворами щелочей.

Алюминий при обычных условиях, как уже было отмечено, покрыт защитной пленкой А1 2 О 3 . При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида алюминия А1 2 О 3 растворяется, причем образуются алюминаты - соли, содержащие алюминий в составе аниона:

А1 2 О 3 + 2NaOH + 3Н 2 О = 2Na

Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействует с водой, вытесняя из нее водород

2Al + 6Н 2 О = 2Al (ОН) 3 + 3H 2

Образующийся гидроксид алюминия, реагирует с избытком щелочи, образуя тетрагидроксоалюминат

Аl(ОН) 3 + NaOH = Na

Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи:

2Al + 2NaOH + 6Н 2 О = 2Na+ 3H 2

Оксид алюминия А1 2 О 3

Белое твердое вещество, нерастворимое в воде, температура плавления 2050 0 С.

Природный А1 2 О 3 - минерал корунд. Прозрачные окрашенные кристаллы корунда - красный рубин – содержит примесь хрома - и синий сапфир - примесь титана и железа - драгоценные камни. Их получают так же искусственно и используют для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п.

Химические свойства

Оксид алюминия проявляет амфотерные свойства

1. взаимодействие с кислотами

А1 2 О 3 +6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 O

2. взаимодействие со щелочами

А1 2 О 3 + 2NaOH – 2NaAlO 2 + H 2 O

Al 2 O 3 + 2NaOH + 5H 2 O = 2Na

3. при накаливании смеси оксида соответствующего металла с порошком алюминия происходит бурная реакция, ведущая к выделению из взятого оксида свободного металла. Метод восстановления при помощи Al (алюмотермия) часто применяют для получения ряда элементов (Cr, Мп, V, W и др.) в свободном состоянии

2А1 + WO 3 = А1 2 Оз + W

4. взаимодействие с солями, имеющими сильнощелочную среду, вследствие гидролиза

Al 2 O 3 + Na 2 CO 3 = 2 NaAlO 2 + CO 2

Гидроксид алюминия А1(ОН) 3

А1(ОН) 3 представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета, практически нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в кислотах и сильных щелочах. Он имеет, следовательно, амфотерный характер.

Получают гидроксид алюминия реакцией обмена растворимых солей алюминия со щелочами

AlCl 3 + 3NaOH = Al(OH) 3 ↓ + 3NaCl

Al 3+ + 3OH - = Al(OH) 3 ↓

Данную реакцию можно использовать как качественную на ион Al 3+

Химические свойства

1. взаимодействие с кислотами

Al(OH) 3 +3HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 O

2. при взаимодействии с сильными щелочами образуются соответствующие алюминаты:

NaOH + А1(ОН)з = Na

3. термическое разложение

2Al(OH) 3 = Al 2 О 3 + 3H 2 O

Соли алюминия подвергаются гидролизу по катиону, среда кислая (рН < 7)

Al 3+ + Н + ОН - ↔ AlОН 2+ + Н +

Al(NO 3) 3 + H 2 O↔ AlOH(NO 3) 2 + HNO 3

Растворимые соли алюминия и слабых кислот подвергаются полному (необратимому гидролизу)

Al 2 S 3 + 3H 2 O = 2Al(OH) 3 +3H 2 S

Применение в медицине и народном хозяйстве алюминия и его соединений.

Легкость алюминия и его сплавов и большая устойчивость к воздуху и воде обуславливают их применение в машиностроении, авиастроении. В виде чистого металла алюминий применяется для изготовления электрических проводов.

Алюминиевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевой и фармацевтической промышленности для упаковки продуктов и препаратов.

Оксид алюминия Al 2 O 3 – входит в состав некоторых антацидных средств (например, Almagel), используется при повышенной кислотности желудочного сока.

КAl(SO 4) 3 12H 2 О – алюмокалиевые квасцы применяются в медицине для лечения кожных заболеваний, как кровоостанавливающие средство. А также используют как дубильное вещество в кожевенной промышленности.

(CH 3 COO) 3 Al - Жидкость Бурова- 8% раствор ацетата алюминия оказывает вяжущее и противовоспалительное действие, в больших концентрациях обладает умеренными антисептическими свойствами. Применяется в разведенном виде для полоскания, примочек, при воспалительных заболеваниях кожи и слизистых оболочек.

AlCl 3 - применяется в качестве катализатора в органическом синтезе.

Al 2 (SO 4) 3 · 18 H 2 0 – применяется при очистки воды.

Контрольные вопросы для закрепления:

1. Назовите высшую валентность степень окисления элементов III А группы. Объясните с точки зрения строения атома.

2.Назовите важнейшие соединения бора. Что является качественной реакцией на борат-ион?

3. Какие химические свойства имеют оксид и гидроксид алюминия?

Обязательная

Пустовалова Л.М., Никанорова И.Е. Неорганическая химия. Ростов-на-Дону. Феникс. 2005. –352с. гл. 2.1 с. 283-294

Дополнительная

1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.:Высшая школа, 2009.- 368с.

2. Глинка Н.Л. Общая химия. КноРус, 2009.-436 с.

3. Ерохин Ю.М. Химия. Учебник для студ. Сред проф.образ.-М.: Академия, 2006.- 384с.

Электронные ресурсы

1. Открытая химия: полный интерактивный курс химии для уч-ся школ, лицеев, гимназий, колледжей, студ. технич.вузов: версия 2.5-М.: Физикон, 2006. Электронный оптический диск CD-ROM

2. .1С: Репетитор – Химия, для абитуриентов, старшеклассников и учителей, ЗАО «1С», 1998-2005. Электронный оптический диск CD-ROM

3. Химия. Основы теоретической химии. [Электронный ресурс]. URL: http://chemistry.narod.ru/himiya/default.html

4. Электронная библиотека учебных материалов по химии [Электронный ресурс]. URL: http://www.chem.msu.su/rus/elibrary/

Оксид алюминия – Al2O3. Физические свойства: оксид алюминия – белый аморфный порошок или очень твердые белые кристаллы. Молекулярная масса = 101,96, плотность – 3,97 г/см3, температура плавления – 2053 °C, температура кипения – 3000 °C.

Химические свойства: оксид алюминия проявляет амфотерные свойства – свойства кислотных оксидов и основных оксидов и реагирует и с кислотами, и с основаниями. Кристаллический Аl2О3 химически пассивен, аморфный – более активен. Взаимодействие с растворами кислот дает средние соли алюминия, а с растворами оснований – комплексные соли – гидроксоалюминаты металлов:

При сплавлении оксида алюминия с твердыми щелочами металлов образуются двойные соли – метаалюминаты (безводные алюминаты):

Оксид алюминия не взаимодействует с водой и не растворяется в ней.

Получение: оксид алюминия получают методом восстановления алюминием металлов из их оксидов: хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и др. – металлотермия , открытый Бекетовым :

Применение: оксид алюминия применяется для производства алюминия, в виде порошка – для огнеупорных, химически стойких и аб-разивных материалов, в виде кристаллов – для изготовления лазеров и синтетических драгоценных камней (рубины, сапфиры и др.), окрашенных примесями оксидов других металлов – Сr2О3 (красный цвет), Тi2О3 и Fe2О3 (голубой цвет).

Гидроксид алюминия – А1(ОН)3 . Физические свойства: гидроксид алюминия – белый аморфный (гелеобразный) или кристаллический. Почти не растворим в воде; молекулярная масса – 78,00, плотность – 3,97 г/см3.

Химические свойства: типичный амфотерный гидроксид реагирует:

1) с кислотами, образуя средние соли: Al(ОН)3 + 3НNO3 = Al(NO3)3 + 3Н2О;

2) с растворами щелочей, образуя комплексные соли – гидроксоалюминаты: Al(ОН)3 + КОН + 2Н2О = К.

При сплавлении Al(ОН)3 с сухими щелочами образуются метаалюминаты: Al(ОН)3 + КОН = КAlO2 + 2Н2О.

Получение:

1) из солей алюминия под действием раствора щелочей: AlСl3 + 3NaOH = Al(ОН)3 + 3Н2О;

2) разложением нитрида алюминия водой: AlN + 3Н2О = Аl(ОН)3 + NН3?;

3) пропусканием СО2 через раствор гидроксокомплекса: [Аl(ОН)4]-+ СО2 = Аl(ОН)3 + НСО3-;

4) действием на соли Аl гидратом аммиака; при комнатной температуре образуется Аl(ОН)3.

62. Общая характеристика подгруппы хрома

Элементы подгруппы хрома занимают промежуточное положение в ряду переходных металлов. Имеют высокие температуры плавления и кипения, свободные места на электронных орбиталях. Элементы хром и молибден обладают нетипичной электронной структурой – на внешней s-орбитали имеют один электрон (как у Nb из подгруппы VB). У этих элементов на внешних d– и s-орбиталях находится 6 электронов, поэтому все орбитали заполнены наполовину, т. е. на каждой находится по одному электрону. Имея подобную электронную конфигурацию, элемент обладает особенной стабильностью и устойчивостью к окислению. Вольфрам имеет более сильную металлическая связь, нежели молибден . Степень окисления у элементов подгруппы хрома сильно варьирует. В надлежащих условиях все элементы проявляют положительную степень окисления от 2 до 6, максимальная степень окисления соответствует номеру группы. Не все степени окисления у элементов стабильны, у хрома самая стабильная – +3.

Все элементы образуют оксид MVIO3, известны также оксиды с низшими степенями окисления. Все элементы данной подгруппы амфотерны – образуют комплексные соединения и кислоты.

Хром, молибден и вольфрам востребованы в металлургии и электротехнике. Все рассматриваемые металлы покрываются пассивирующей оксидной пленкой при хранении на воздухе или в среде кислоты-окислителя. Удалив пленку химическим или механическим способом, можно повысить химическую активность металлов.

Хром. Элемент получают из хромитной руды Fe(CrO2)2, восстанавливая углем: Fe(CrO2)2 + 4C = (Fe + 2Cr) + 4CO?.

Чистый хром получают восстановлением Cr2O3 с помощью алюминия или электролиза раствора, содержащего ионы хрома. Выделяя хром с помощью электролиза, можно получить хромовое покрытие, используемое в качестве декоративных и защитных пленок.

Из хрома получают феррохром, применяемый при производстве стали.

Молибден. Получают из сульфидной руды. Его соединения используют при производстве стали. Сам металл получают при восстановлении его оксида. Прокаливая оксид молибдена с железом, можно получить ферромолибден. Используют для изготовления нитей и трубок для обмотки печей и электроконтактов. Сталь с добавлением молибдена используют в автомобильном производстве.

Вольфрам. Получают из оксида, добываемого из обогащенной руды. В качестве восстановителя используют алюминий или водород. Получившийся вольфрам в идее порошка впоследствии формуют при высоком давлении и термической обработке (порошковая металлургия). В таком виде вольфрам используют для изготовления нитей накаливания, добавляют к стали.