Алюминий. Соединения алюминия. Амфотерный характер свойств оксида алюминия и гидроксида алюминия. Как получают и как используют оксид алюминия Оксид алюминия химические свойства

Краткая характеристика оксида алюминия:

Оксид алюминия – неорганическое вещество, не имеющее цвета.

Оксид алюминия содержит три атома кислорода и два атома алюминия.

Химическая формула оксида алюминия Al 2 O 3 .

В природе встречается в виде глинозема и корунда.

В воде не растворяется.

Амфотерный оксид. Проявляет в зависимости от условий либо основные, либо кислотные свойства. Свои химические свойства проявляет будучи разогретым до высоких температур- порядка 1000 о С.

Модификации оксида алюминия:

Известны следующие кристаллические модификации оксида алюминия: α-Al 2 O 3 , θ-Al 2 O 3 , γ-Al 2 O 3 , κ-Al 2 O 3 , η-Al 2 O 3 , χ-Al 2 O 3 .

Модификации оксида алюминия имеют различные плотности:

α-Al 2 O 3 – 3,99 г/см 3 ,

θ-Al 2 O 3 – 3,61 г/см 3 ,

γ-Al 2 O 3 – 3,68 г/см 3 ,

κ-Al 2 O 3 – 3,77 г/см 3 .

α-модификация оксида алюминия является единственной термодинамически стабильной формой Al 2 O 3 .

Физические свойства оксида алюминия*:

Примечание:

* оксида алюминия α-формы.

** — нет данных.

Получение оксида алюминия:

Оксид алюминия получают методом восстановления алюминием металлов из их оксидов: хрома , молибдена , вольфрама , ванадия и др. (металлотермия).

Он получается в результате следующих металлотермических реакций:

Cr 2 O 3 + 2Al → Al 2 O 3 + 2Cr (t = 800 o C);

3CuO + 2Al → Al 2 O 3 + 3Cu (t = 1000-1100 o C) и т.д.

3. реакция оксида алюминия, углерода и азота:

Al 2 O 3 + 3С + N 2 → 2AlN + 3CО (t = 1600-1800 °C).

В результате реакции образуется соль – нитрид алюминия и оксид углерода.

4. реакция оксида алюминия с оксидом натрия :

Na 2 О + Al 2 O 3 → 2NaAlО 2 (t = 2000 °C).

В результате реакции образуется соль – алюминат натрия.

5. реакция оксида алюминия с оксидом калия :

K 2 О + Al 2 O 3 → 2KAlО 2 (t = 1000 °C).

В результате реакции образуется соль – алюминат калия.

6. реакция оксида алюминия с оксидом магния :

MgО + Al 2 O 3 → MgAl 2 О 4 (t = 1600 °C).

В результате реакции образуется соль – алюминат магния (шпинель).

7. реакция оксида алюминия с оксидом кальция :

CaО + Al 2 O 3 → Ca(AlО 2) 2 (t = 1200-1300 °C).

В результате реакции образуется соль – алюминат кальция.

8. реакция оксида алюминия с оксидом азота :

Al 2 O 3 + 3N 2 О 5 → 2Al(NO 3) 3 (t = 35-40 °C).

В результате реакции образуются соль – нитрат алюминия .

9. реакция оксида алюминия с оксидом кремния :

Al 2 O 3 + SiО 2 → Al 2 SiО 5 .

В результате реакции образуется соль – силикат алюминия. Реакция протекает при спекании реакционной смеси.

10. реакция оксида алюминия с гидроксидом натрия :

Al 2 O 3 + 2NaOH → 2NaAlO 2 + H 2 О (t = 900-1100 o C).

Сплавление оксида алюминия с сухим гидроксидом натрия. В результате реакции образуется соль – алюминат натрия и вода.

11. реакция оксида алюминия с гидроксидом калия :

Al 2 O 3 + 2KOH → 2KAlO 2 + H 2 О (t = 900-1100 o C).

Сплавление оксида алюминия с сухим гидроксидом калия. В результате реакции образуется соль – алюминат калия и вода.

12. реакция оксида алюминия с карбонатом натрия:

Al 2 O 3 + Na 2 СO 3 → 2NaAlO 2 + СО 2 (t = 1000-1200 o C).

В результате реакции образуется соль – алюминат натрия и оксид углерода.

13. реакция оксида алюминия с плавиковой кислотой:

Al 2 O 3 + 6HF → 2AlF 3 + 3H 2 O (t = 450-600 o C).

В результате химической реакции получается соль – фторид алюминия и вода.

14. реакция оксида алюминия с азотной кислотой:

Al 2 O 3 + 6HNO 3 → 2Al(NO 3) 2 + 3H 2 O.

В результате химической реакции получается соль – нитрат алюминия и вода .

Аналогично проходят реакции оксида алюминия и с другими кислотами.

Мы отправляем его в воздух и запускаем в космос, ставим на плиту, строим из него здания, изготавливаем шины, мажем на кожу и лечим им язву... Вы еще не поняли? Речь идет об алюминии.

Попробуйте перечислить все области применения алюминия и обязательно ошибетесь. Скорее всего о существовании многих из них вы даже не подозреваете. Все знают, что алюминий - материал авиастроителей. Но как насчет автомобилестроения или, скажем. медицины? Знаете ли вы, что алюминий является пищевой добавкой Е-137, которая обычно используется как краситель, придающий продуктам серебристый оттенок?

Алюминий - элемент, который с легкостью образует устойчивые соединения с любыми металлами, кислородом, водородом, хлором и многими другими веществами. В результате подобных химических и физических воздействий получаются диаметрально разные по своим свойствам сплавы и соединения.

Использование оксидов и гидроксидов алюминия

Сферы применения алюминия настолько обширны, что для ограждения товаропроизводителей, конструкторов и инженеров от непреднамеренных ошибок, в нашей стране применение маркировки сплавов алюминия - стало обязательным. Каждому сплаву или соединению присваивается свое буквенно-цифровое обозначение, которое в дальнейшем позволяет быстро отсортировать их и направить для дальнейшей обработки.

Наиболее распространенные природные соединения алюминия - его оксид и гидроксид. в природе они существуют исключительно в виде минералов - корундов, бокситов, нефелинов, пр. - и в качестве глинозема. Применение алюминия и его соединений связано с ювелирной, косметологической, медицинской сферами, химической промышленностью и строительством.

Цветные, "чистые" (не мутные) корунды - это известные всем нам драгоценности - рубины и сапфиры. Однако по своей сути они - не что иное, как самый обычный оксид алюминия. Помимо ювелирной сферы, применение оксида алюминия распространяется на хим.промышленность, где он обычно выступает адсорбентом, а также на производство керамической посуды. Керамические котелки, горшочки, чашки обладают замечательными жаропрочными свойствами именно благодаря содержащемуся в них алюминию. Свое применение окись алюминия нашла и как материал для изготовления катализаторов. Нередко оксиды алюминия добавляют в бетон для его лучшего затвердевания, а стекло, в которое добавили алюминий, становится жаропрочным.

Перечень областей применения гидроксида алюминия выглядит еще более внушительно. Благодаря способности поглощать кислоту и оказывать каталитическое действие на иммунитет человека, гидроксид алюминия используется при изготовлении лекарств и вакцин от гепатитов типа "А" и "В" и столбнячной инфекции. Им также лечат почечную недостаточность, обусловленную наличием большого числа фосфатов в организме. Попадая в организм, гидроксид алюминия вступает в реакцию с фосфатами и образует неразрывные с ними связи, а затем естественным путем выводится из организма.

Гидроксид, в виду его отличной растворимости и не токсичности, нередко добавляют в пасту для чистки зубов, шампунь, мыло, примешивают к солнцезащитным средствам, питательным и увлажняющим кремам для лица и тела, антиперсперантам, тоникам, очищающим лосьонам, пенкам и пр. Если необходимо равномерно и стойко окрасить ткань, то в краситель добавляют немного гидроксида алюминия и цвет буквально "втравляется" в поверхность материи.

Применение хлоридов и судьфатов алюминия

Крайне важными соединениями алюминия являются также хлориды и сульфаты. Хлорид алюминия в естественном состоянии не встречается, однако его довольно просто получить промышленным путем из бокситов и каолинов. Применение хлорида алюминия ввиде катализатора довольно однобоко, но практически бесценно для нефтеперерабатывающей отрасли.

Алюминиевые сульфаты существуют в естественном состоянии в качестве минералов вулканических пород и известны своей способностью к абсорбации воды из воздуха. Применение сернокислого алюминия распространяется на косметическую и текстильную промышленность. В первой, он выступает в качестве добавки в антиперсперанды, во второй - в виде красителя. Интересно применение сульфата алюминия в составе реппелентов от насекомых. Сульфаты не только отпугивают комаров, мух и мошек, но и обезболивают место укуса. Однако несмотря на ощутимую пользу, сульфаты алюминия неоднозначно действуют на здоровье людей. Если вдохнуть или проглотить сульфат алюминия, можно получить серьезное отравление.

Алюминиевые сплавы - основные области применения

Искусственно полученные соединения алюминия с металлами (сплавы), в отличие от естественных образований, могут иметь такие свойства, какие пожелает сам производитель - достаточно изменить состав и количество легирующих элементов. На сегодняшний день существуют практически безграничные возможности для получения сплавов алюминия и их применения.

Самая известная отрасль использования алюминиевых сплавов - авиастроение. Самолеты практически полностью изготовлены из алюминиевых сплавов. Сплавы цинка, магния и алюминия дают небывалую прочность, используемую в обшивке самолетов и изготовлении деталей конструкции.

Аналогично используются алюминиевые сплавы и в строении кораблей, подводных лодок и мелкого речного транспорта. Здесь из алюминия наиболее выгодно делать надстроечные конструкции, они более чем в половину снижают вес судна, при этом не ухудшая их надежности.

Подобно самолетам и кораблям, автомобили с каждым годом все больше и больше становятся "алюминиевыми". Алюминий применяется не только в деталях кузова, теперь это еще и рамы, балки, стойки и панели кабины. Благодаря химической инертности алюминиевых сплавов, низкой подверженности коррозии и теплоизоляционным свойствам из сплавов алюминия изготавливают цистерны для перевозок жидких продуктов.

Широко известно применение алюминия в промышленности. Нефте- и газодобыча не были бы такими как сейчас, если бы не чрезвычайно коррозионстойкие, химически инертные трубопроводы из алюминиевых сплавов. Буры, сделанные из алюминия, весят в несколько раз меньше, а значит легко перевозятся и монтируются. И это не говря уже о разного рода, резервуарах, котлах и прочих емкостях...

Из алюминия и его сплавов производят кастрюли, сковороды, противни, половники и прочую домашнюю утварь. Алюминиевая посуда отлично проводит тепло, очень быстро нагревается, при этом легко чистится, не вредит здоровью и продуктам. На алюминиевой фольге мы запекаем мясо в духовке и выпекаем пироги, в алюминий упакованы масла и маргарины, сыры, шоколад и конфеты.

Крайне важная и перспективная область - применение алюминия в медицине. Помимо тех областей использования (вакцины, почечные лекарства, адсорбенты), о которых говорилось ранее, следует также упомянуть использование алюминия в лекарствах от язвы и изжоги.

Из всего вышесказанного можно сделать один вывод - марки алюминия и их применение слишком многообразны, чтобы посвящать им одну небольшую статью. Об алюминии лучше писать книги, ведь не зря же его называют "металлом будущего".

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.

Алюминий - элемент 13-й (III)группы периодической таблицы химических элементов с атомным номером 13. Обозначается символом Al. Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Оксид алюминия Al2O3 - в природе распространён как глинозём, белый тугоплавкий порошок, по твердости близок к алмазу.

Оксид алюминия – природное соединение, может быть получен из бокситов или при термическом разложении гидроксидов алюминия:

2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O;

Al2O3 - амфотерный оксид, химически инертен, благодаря своей прочной кристаллической решетке. Он не растворяется в воде, не взаимодействует с растворами кислот и щелочей и может реагировать лишь с расплавленной щелочью.

Около 1000°С интенсивно взаимодействует со щелочами и карбонатами щелочных металлов с образованием алюминатов:

Al2O3 + 2KOH = 2KAlO2 + H2O; Al2O3 + Na2CO3 = 2NaAlO2 + CO2.

Другие формы Al2O3 более активны, могут реагировать с растворами кислот и щелочей, α-Al2O3 взаимодействует лишь с горячими концентрированными растворами:Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O;

Амфотерные свойства оксида алюминия проявляются при взаимодействии с кислотными и основными оксидами с образованием солей:

Al2O3 + 3SO3 = Al2(SO4)3 (основные свойства),Al2O3 + Na2O = 2NaAlO2 (кислотные свойства).

Гидрокси́д алюми́ния, Al(OH)3 - соединение оксида алюминия с водой. Белое студенистое вещество, плохо растворимое в воде, обладает амфотерными свойствами. Получают при взаимодействии солей алюминия с водными растворами щёлочи: AlCl3+3NaOH=Al(OH)3+3NaCl

Гидроксид алюминия – типичное амфотерное соединение, свежеполученный гидроксид растворяется в кислотах и щелочах:

2Al(OH)3 + 6HCl = 2AlCl3 + 6H2O. Al(OH)3 + NaOH + 2H2O = Na.

При нагревании разлагается, процесс дегидратации довольно сложен и схематично может быть представлен следующим образом:

Al(OH)3 = AlOOH + H2O. 2AlOOH = Al2O3 + H2O.

Алюминаты - соли, образующиеся при действии щёлочи на свежеосаждённый гидроксид алюминия:Al(ОН)3 + NaOH = Na (тетрагидроксоалюминат натрия)

Алюминаты получают также при растворении металлического алюминия (или Al2O3) в щелочах:2Al + 2NaOH + 6Н2О = 2Na + ЗН2

Гидроксоалюминаты образуются при взаимодействии Al(OH)3 с избытком щелочи: Al(OH)3 + NaOH (изб) = Na

Соли алюминия. Из гидроксида алюминия можно получить практически все соли алюминия. Почти все соли алюминия хорошо растворимы в воде; плохо растворяется в воде фосфат алюминия.
В растворе соли алюминия показывают кислую реакцию. Примером может служить обратимое воздействие с водой хлорида алюминия:
AlCl3+3Н2O«Аl(ОН)3+3НСl
Практическое значение имеют многие соли алюминия. Так, например, безводный хлорид алюминия АlСl3 используется в хи­мической практике в качестве катализатора при переработке неф­ти
Сульфат алюминия Al2(SO4)3 18Н2O применяется как коагу­лянт при очистке водопроводной воды, а также в производстве бумаги.
Широко используются двойные соли алюминия - квасцы KAl(SO4)2 12H2O, NaAl(SO4)2 12H2O, NH4Al(SO4)2 12H2O и др. - обладают сильными вяжущими свойствами и применяются при дублении кожи, а также в медицинской практике как крово­останавливающее средство.

Применение - Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.- Алюминий и его сплавы сохраняют прочность при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике.- алюминий - идеальный материал для изготовления зеркал.- В производстве строительных материалов как газообразующий агент.- Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, - Сульфид алюминия используется для производства сероводорода.- Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.

В качестве восстановителя - Как компонент термита, смесей для алюмотермии- В пиротехнике.- Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов. (Алюминотермия)

Алюминотермия. - способ получения металлов, неметаллов (а также сплавов) восстановлением их оксидов металлическим алюминием.

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.