Кто открыл алюминий. Алюминий: свойства химические и физические
Документально зафиксированное открытие алюминия произошло в 1825. Впервые этот металл получил датский физик Ганс Христиан Эрстед, когда выделил его при действии амальгамы калия на безводный хлорид алюминия (полученный при пропускании хлора через раскаленную смесь оксида алюминия с углем). Отогнав ртуть, Эрстед получил алюминий, правда, загрязненный примесями. В 1827 немецкий химик Фридрих Вёлер получил алюминий в виде порошка восстановлением гексафторалюмината калием. Современный способ получения алюминия был открыт в 1886 молодым американским исследователем Чарльзом Мартином Холлом. (С 1855 до 1890 было получено лишь 200 тонн алюминия, а за следующее десятилетие по методу Холла во всем мире получили уже 28000т. этого металла) Алюминий чистотой свыше 99,99% впервые был получен электролизом в 1920г. В 1925 г. в работе Эдвардса опубликованы некоторые сведения о физических и механических свойствах такого алюминия. В 1938г. Тэйлор, Уиллей, Смит и Эдвардс опубликовали статью, в которой приведены некоторые свойства алюминия чистотой 99,996%, полученного во Франции также электролизом. Первое издание монографии о свойствах алюминия вышло в свет в 1967г. Еще недавно считалось, что алюминий как весьма активный металл не может встречаться в природе в свободном состоянии, однако в 1978г. в породах Сибирской платформы был обнаружен самородный алюминий - в виде нитевидных кристаллов длиной всего 0,5 мм (при толщине нитей несколько микрометров). В лунном грунте, доставленном на Землю из районов морей Кризисов и Изобилия, также удалось обнаружить самородный алюминий.
Алюминиевые стройматериалы
Соединения алюминия были известны человеку с древних времён. Одними из них являлись вяжущие вещества, к которым относятся алюмо-калиевые квасцы КAl(SO4)2. Они находили широкое применение. Они использовались в качестве протравы и как средство, останавливающее кровь. Пропитка древесины раствором алюмокалиевых квасцов делало её негорючей. Известен интересный исторический факт, как Архелай- полководец из Рима во время войны с персами приказал намазать башни, которые служили в качестве оборонительных сооружений, квасцами. Персам так и не удалось сжечь их.
Еще одним из соединений алюминия были природные глины, в состав которых входит оксид алюминия Al2O3.
Первые попытки получить алюминий только в середине XIX века. Попытка предпринятая датским учёным Х.К.Эрстедом увенчалась успехом. Для получения он использовал амальгированный калий в качестве восстановителя алюминия из оксида. Но что за металл был получен тогда выяснить так и не удалось. Через некоторое время, через два года, алюминий был получен немецким ученым-химиком Велером, который получил алюминий, используя нагревание безводного хлорида алюминия с металлическим калием.
Многие годы труда немецкого ученого не прошли даром. За 20 лет он сумел приготовить гранулированный металл. Он оказался похожим на серебро, но был значительно легче его. Алюминий был очень дорогим металлом, и вплоть до начала XX века, его стоимость была выше стоимости золота. Поэтому многие-многие годы алюминий использовался как музейный экспонат. Около 1807 г. Дэви попытался провести электролиз глинозема, получил металл, который был назван алюмиумом (Alumium) или алюминумом (Aluminum), что в переводе с латинского - квасцы.
Получение алюминия из глин интересовало не только ученых-химиков, но и промышленников. Алюминий очень тяжело было отделить от других веществ, это способствовало тому, что он был дороже золота. В 1886 году химиком Ч.М. Холлом был предложен способ, который позволил получать металл в больших количествах. Проводя исследования, он в расплаве криолита AlF3 nNaF растворил оксид алюминия. Полученную смесь поместил в гранитный сосуд и пропустил через расплав постоянный электрический ток. Он был очень удивлен, когда через некоторое время на дне сосуда он обнаружил бляшки чистого алюминия. Этот способ и в настоящее время является основным для производства алюминия в промышленных масштабах. Полученный металл всем был хорош, кроме прочности, которая была необходима для промышленности. И эта проблема была решена. Немецкий химик Альфред Вильм сплавил алюминий с другими металлами: медью, марганцем и магнием. Получился сплав, который был значительно прочнее алюминия.
Способы получения
| |||
В промышленности алюминий получают электролизом Al2O3 в расплаве криолита Na3 при температуре 950
2Al2O3 = 4Al(3+) + 6O(2-) = 2Al + 3O2
Основные реакции процессов:
CaF2 + H2SO4 → 2HF + CaSO4 (15.з)
SiO2 + 6HF →H2SiF6 + 2H2
HF и H2SiF6 - газообразные продукты, улавливаемые водой. Для обескремнивания полученного раствора в него вначале вводят расчетное количество соды:
H2SiF6 + Na2CO3 → Na2SiF6 + CO2 + H2O (15.и)
Трудно растворимый Na2SiF6 отделяют, а оставшийся раствор плавиковой кислоты нейтрализуют избытком соды и гидроксидом алюминия с получением криолита:
12HF + 3Na2CO3 + 2Al(OH)3 → 2(3NaF·AlF3) + 3CO2 + 9H2O (15.к)
Таким же путем могут быть раздельно получены NaF и AlF3, если обескремненный раствор плавиковой кислоты нейтрализовать рассчитанным количеством Na2CO3 или Al(OH)3.
Физические свойства
Алюминий – серебристо – белый металл, легкий, прочный. Плотность его 2,7 г/см3 , почти в три раза легче железа. Хорошо подвергается обработке: прокатывается, куется, штампуется, вытягивается в проволоку, обладает хорошей электрической проводимостью (после серебра и меди-лучший проводник теплоты и электричества)
Химические свойства
1)Металлический алюминий образует сплавы со многими металлами: Cu, In, Mg,Mn,Ni,Cr и тд.
2)Алюминий взаимодействует со многими неметаллами: в виде пыли и стружки горит в кислороде с выделением большого количества теплоты, образуя оксид алюминия:
4 Al + 3O2 → Al2O3
3)Алюминий взаимодействует со многими сложными веществами. По отношению к воде алюминий практически устойчив, так как он покрыт тонким оксидным слоем. При высокой температуре, лишенный защитной пленки, он взаимодействует с водой по уравнению
2Al + 6 H2O → 2Al(OH)3 + 3H2
Применение
Широко используется сплавы на основе алюминия, так как они легки, прочны, устойчивы на воздухе, в воде и кислотах. В электротехнике алюминий используется для производства массивных проводов в воздушных линиях, высоковольтных кабелях; в производстве электрических конденсаторов, выпрямителей, полупроводниковых приборов; как конструкционный материал в ядерных реакторах; в оборудовании и аппаратах пищевой промышленности. Ножи поставляют упакованными в коробку по 10 штук (кроме ампутационного), смазанными консервационной смазкой или герметизированными в полиэтиленовом пакете с ингибиторами коррозии.
Скальпели смазывают перед упаковкой тонким слоем натурального жира и укладывают по 10 шт. в картонные коробки с гнёздами, предохраняющими режущие кромки от затупления.
Медицинские кусачки: перед упаковкой каждый инструмент в отдельности, предварительно покрытый нейтральной смазкой, завёртывают в пергаментную или парафинированную бумагу и укладывают по 5-10 штук в картонные коробки. При длительном хранении инструмента пружина должна быть разгружена, для чего верхний её конец (направленный к губкам) следует вывести из плоскости инструмента, т. е. сместить с ветви в стороны и таким образом предупредить утомление пружины.
Допускается однотипные инструменты упаковывать в групповую тару без потребительской или скин-упаковку. Потребительская тара с инструментами должна быть упакована в групповую тару - коробки, пачки, пакеты, пробирки и другие прогрессивные виды тары. Материалы, применяемые для изготовления тары, и конструкция тары должны обеспечивать сохранность инструментов при транспортировании и хранении. Потребительская и групповая тара должны исключать возможность их вскрытия без нарушения целостности упаковки при транспортировании и хранении. При вскрытии упаковки с использованием тары многократного применения целостность тары не должна нарушаться. Поверхности потребительской и групповой тары не должны иметь перекосов, трещин, надрывов, короблений, отверстий, складок. На поверхности коробок из полимерных материалов допускаются следы от разъёма пресс-формы, литников и выталкивателей.
Заключение
Известно, что у р-элементов заполняется электронами р-подуровень внешнего электронного уровня, на котором могут находиться от одного до шести электронов.
В периодической системе 30 р-элементов. Эти p-элементы, или их p-электронные аналоги, образуют подгруппы IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA и VI IIА. Строение внешнего электронного уровня атомов элементов этих подгрупп развивается следующим образом: ns2 p1 , ns2 p2 , ns2 p3 , ns2 p4 , ns2 p5 и ns2 p6 .
В целом у p-элементов, кроме алюминия, восстановительная активность выражена сравнительно слабо. Наоборот, при переходе от IIIA-к VIIA-подгруппе наблюдается усиление окислительной активности нейтральных атомов, растут величины сродства к электрону и энергии ионизации, увеличивается электроотрицательность р-элементов.
В атомах p-элементова валентны не только р-электроны, но и s-электроны внешнего уровня. Высшая положительная степень окисления р-электронных аналогов равна номеру группы, в которой они находятся.
Список литературы
1. Дроздов А.А., Органическая химия 2012 год
2. Комиссаров Л.Н., Неорганическая химия 2011 год
3. Несвежиский С.Н., формулы по химии 2012
4. Третьякова Ю.Д., Неорганическая химия 2011-2012 год
5. http://tochmeh.ru/info/alum2.php
6. http://www.bestreferat.ru/referat-121916.html
Название «алюминий» произошло от «алюмиум» — вещество, открытое английским ученым-химиком Хэмфри Дэви в 1807 году. Корень слова «алюм» обозначает «квасцы», представляющие собой соль алюминия.
Попытки Хэмфри выделить открытый им металл в чистом виде не увенчались успехом, и только в 1825 году другой ученый, датчанин Ханс Кристиан Эрстед, смог получить алюминий без примесей.
Спустя еще 20 лет немецким ученым Фридрихом Вехлером были проведены первые глубокие исследования свойств алюминия. Своей целью Вехлер ставил открыть секрет легкости этого металла.
Многие из ученых того времени пытались решить проблему выделения этого металла, предлагались различные способы, но все они имели свои изъяны. Так, в середине 50-х годов XIX века француз Анри Сент-Клер Девиль, научился получать алюминий, используя натрий, однако на выходе получалось всего несколько килограммов легкого металла. В результате, этот способ практически не использовался в промышленном производстве, но получил широкое распространение у ученых, что позволило им ставить больше опытов по изучению характеристик алюминия.
История получения алюминия путем плавления началась в конце XIX века. Этот способ был открыт в 1886 году одновременно двумя разными учеными: американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру. Интересен тот факт, что они не только в один год изобрели метод Холла-Эру, как впоследствии его назвали, но и их даты рождения и смерти тоже совпадают (1863-1914 гг.).
Спустя 2 года австриец Карл Вайер модернизировал метод Холла-Эру, взяв в качестве исходного материала для производства алюминия не его оксид, а бокситы. Это привело к падению цен на алюминий на 80 % и его широкому распространению в промышленности.
Алюминий стали использовать практически везде: от бытовой сферы до производства оружия. Его упоминал в своих произведениях всемирно известный писатель Жюль Верн. Там герои строили из алюминия ракеты и корабли.
Также способствовало развитию применения алюминия и изобретение многослойной фанеры, резины и, конечно же, пластмассы. Все эти материалы активно интегрировались с алюминием при производстве сложных устройств и механизмов. О динамике развития производства алюминия говорит тот факт, что за сто с лишним лет, с конца XIX по XXI век, производство алюминия увеличилось в 110 тысяч раз и в 2010 году составило 40 млн. тонн.
Получение алюмокалиевых квасцов
Алюминий (лат. Aluminium), – в периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в главной подгруппе третьей группы. Заряд ядра +13. Электронное строение атома 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 . Металлический атомный радиус 0,143 нм, ковалентный – 0,126 нм, условный радиус иона Al 3+ – 0,057 нм. Энергия ионизации Al – Al + 5,99 эВ.
Наиболее характерная степень окисления атома алюминия +3. Отрицательная степень окисления проявляется редко. Во внешнем электронном слое атома существуют свободные d-подуровни. Благодаря этому его координационное число в соединениях может равняться не только 4 (AlCl 4- , AlH 4- , алюмосиликаты), но и 6 (Al 2 O 3 , 3+).
Историческая справка . Название Алюминий происходит от лат. alumen – так еще за 500 лет до н.э. назывались алюминиевые квасцы, которые применялись как протрава при крашении тканей и для дубления кожи. Датский ученый X. К. Эрстед в 1825, действуя амальгамой калия на безводный АlСl 3 и затем отгоняя ртуть, получил относительно чистый Алюминий. Первый промышленного способ производства Алюминия предложил в 1854 французский химик А.Э. Сент-Клер Девиль: способ заключался в восстановлении двойного хлорида Алюминия и натрия Na 3 AlCl 6 металлическим натрием. Похожий по цвету на серебро, Алюминий на первых порах ценился очень дорого. С 1855 по 1890 годы было получено всего 200 т Алюминия. Современный способ получения Алюминия электролизом криолитоглиноземного расплава разработан в 1886 году одновременно и независимо друг от друга Ч. Холлом в США и П. Эру во Франции.
Нахождение в природе
Алюминий – самый распространенный в земной коре металл. На его долю приходится 5,5–6,6 мол. доли% или 8 масс.%. Главная масса его сосредоточена в алюмосиликатах. Чрезвычайно распространенным продуктом разрушения образованных ими горных пород является глина, основной состав которой отвечает формуле Al 2 O 3 . 2SiO 2 . 2H 2 O. Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют боксит Al 2 O 3 . xH 2 O и минералы корунд Al 2 O 3 и криолит AlF 3 . 3NaF.
Получение
В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом раствора глинозема Al 2 O 3 в расплавленнном криолите. Al 2 O 3 должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Температура плавления Al 2 O 3 около 2050 о С, а криолита – 1100 о С. Электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и Al 2 O 3 , содержащую около 10 масс.% Al 2 O 3 , которая плавится при 960 о С и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF 3 , CaF 2 и MgF 2 проведение электролиза оказывается возможным при 950 о С.
Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды располагаются сверху: это – алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами.
Al 2 O 3 = Al 3+ + AlO 3 3-
На катоде выделяется жидкий алюминий:
Al 3+ + 3е - = Al
Алюминий собирается на дне печи, откуда периодически выпускается. На аноде выделяется кислород:
4AlO 3 3- – 12е - = 2Al 2 O 3 + 3O 2
Кислород окисляет графит до оксидов углерода. По мере сгорания углерода анод наращивают.
Алюминий, кроме того, применяется как легирующая добавка ко многим сплавам для придания им жаростойкости.
Физические свойства алюминия . Алюминий сочетает весьма ценный комплекс свойств: малую плотность, высокие теплопроводность и электрическую проводимость, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Он легко поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению. Алюминий хорошо сваривается газовой, контактной и других видами сварки. Решетка Алюминия кубическая гранецентрированная с параметром а = 4,0413 Å. Свойства Алюминий, как и всех металлов, в значит, степени зависят от его чистоты. Свойства Алюминия особой чистоты (99,996%): плотность (при 20 °С) 2698,9 кг/м 3 ; t пл 660,24 °С; t кип около 2500 °С; коэффициент термического расширения (от 20° до 100 °С) 23,86·10 -6 ; теплопроводность (при 190 °С) 343 вт/м·К , удельная теплоемкость (при 100 °С) 931,98 дж/кг·К. ; электропроводность по отношению к меди (при 20 °С) 65,5%. Алюминий обладает невысокой прочностью (предел прочности 50–60 Мн/м 2), твердостью (170 Мн/м 2 по Бринеллю) и высокой пластичностью (до 50%). При холодной прокатке предел прочности Алюминия возрастает до 115 Мн/м 2 , твердость – до 270 Мн/м 2 , относительное удлинение снижается до 5% (1 Мн/м 2 ~ и 0,1 кгс/мм 2). Алюминий хорошо полируется, анодируется и обладает высокой отражательной способностью, близкой к серебру (он отражает до 90% падающей световой энергии). Обладая большим сродством к кислороду, Алюминий на воздухе покрывается тонкой, но очень прочной пленкой оксида Al 2 О 3 , защищающей металл от дальнейшего окисления и обусловливающей его высокие антикоррозионные свойства. Прочность оксидной пленки и защитное действие ее сильно убывают в присутствии примесей ртути, натрия, магния, меди и др. Алюминий стоек к действию атмосферной коррозии, морской и пресной воды, практически не взаимодействует с концентрированной или сильно разбавленной азотной кислотой, с органических кислотами, пищевыми продуктами.
Химические свойства
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 иодом – 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 вполне устойчив. Но если механическим путем или амальгамированием снять предохраняющее действие оксидной пленки, то происходит энергичная реакция:
Сильно разбавленные, а также очень концентрированные HNO3 и H2SO4 на алюминий почти не действуют (на холоду), тогда как при средних концентрациях этих кислот он постепенно растворяется. Чистый алюминий довольно устойчив и по отношению к соляной кислоте, но обычный технический металл в ней растворяется.
При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты – соли, содержащие алюминий в составе аниона:
Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na
Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействует с водой, вытесняя из нее водород:
2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2
Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:
Al(OH) 3 + NaOH = Na
Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2
Алюминий заметно растворяется в растворах солей, имеющих вследствие их гидролиза кислую или щелочную реакцию, например, в растворе Na 2 CO 3 .
В ряду напряжений он располагается между Mg и Zn. Во всех своих устойчивых соединениях алюминий трехвалентен.
Соединение алюминия с кислородом сопровождается громадным выделением тепла (1676 кДж/моль Al 2 O 3), значительно большим, чем у многих других металлов. В виду этого 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, Mn, V, W и др.) в свободном состоянии.
Алюмотермией иногда пользуются для сварки отдельных стальных частей, в часности стыков трамвайных рельсов. Применяемая смесь («термит») состоит обычно из тонких порошков алюминия и Fe 3 O 4 . Поджигается она при помощи запала из смеси Al и BaO 2 . Основная реакция идет по уравнению:
8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe + 3350 кДж
Причем развивается температура около 3000 о С.
Оксид алюминия представляет собой белую, очень тугоплавкую (т. пл. 2050 о С) и нерастворимую в воде массу. Природный Al 2 O 3 (минерал корунд), а также полученный искусственно и затем сильно прокаленный отличается большой твердостью и нерастворимостью в кислотах. В растворимое состояние Al 2 O 3 (т. н. глинозем) можно перевести сплавлением со щелочами.
Обычно загрязненный оксидом железа природный корунд вследствие своей чрезвычайной твердости применяется для изготовления шлифовальных кругов, брусков и т.д. В мелко раздробленном виде он под названием наждака служит для очистки металлических поверхностей и изготовления наждачной бумаги. Для тех же целей часто пользуются Al 2 O 3 , получаемым сплавлением боксита (техническое название – алунд).
Прозрачные окрашеннные кристаллы корунда – красный рубин – 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. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr 2 O 3 , применяют в качестве квантовых генераторов – лазеров, создающих направленный пучок монохроматического излучения.
Ввиду нерастворимости Al 2 O 3 в воде отвечающий этому оксиду гидроксид Al(OH) 3 может быть получен лишь косвенным путем из солей. Получение гидроксида можно представить в виде следующей схемы. При действии щелочей ионами OH – постепенно замещаются в аквокомплексах 3+ молекулы воды:
3+ + OH - = 2+ + H 2 O
2+ + OH - = + + H 2 O
OH - = 0 + H 2 O
Al(OH) 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. Однако и основные и особенно кислотные его свойства выражены довольно слабо. В избытке NH 4 OH гидроксид алюминия нерастворим. Одна из форм дегидратированного гидроксида – алюмогель используется в технике в качестве адсорбента.
При взаимодействии с сильными щелочами образуются соответствующие алюминаты:
NaOH + Al(OH) 3 = Na
Алюминаты наиболее активных одновалентных металлов в воде хорошо растворимы, но ввиду сильного гидролиза растворы их устойчивы лишь при наличии достаточного избытка щелочи. Алюминаты, производящиеся от более слабых оснований, гидролизованы в растворе практически нацело и поэтому могут быть получены только сухим путем (сплавлением Al 2 O 3 с оксидами соответствующих металлов). Образуются метаалюминаты, по своему составу производящиеся от метаалюминиевой кислоты HAlO 2 . Большинство из них в воде нерастворимо.
С кислотами Al(OH) 3 образует соли. Производные большинства сильных кислот хорошо растворимы в воде, но довольно значительно гидролизованы, и поэтому растворы их показывают кислую реакцию. Еще сильнее гидролизованы растворимые соли алюминия и слабых кислот. Вследствие гидролиза сульфид, карбонат, цианид и некоторые другие соли алюминия из водных растворов получить не удается.
В водной среде анион Al 3+ непосредственно окружен шестью молекулами воды. Такой гидратированный ион несколько диссоциирован по схеме:
3+ + H 2 O = 2+ + OH 3 +
Константа его диссоциации равна 1 . 10 -5 , т.е. он является слабой кислотой (близкой по силе к уксусной). Октаэдрическое окружение Al 3+ шестью молекулами воды сохраняется и в кристаллогидратах ряда солей алюминия.
Алюмосиликаты можно рассматривать как силикаты, в которых часть кремниекислородных тетраэдров SiO 4 4 – заменена на алюмокислородные тетраэдры AlO 4 5- Из алюмосиликатов наиболее распространены полевые шпаты, на долю которых приходится более половины массы земной коры. Главные их представители – минералы
ортоклаз K 2 Al 2 Si 6 O 16 или K 2 O . Al 2 O 3 . 6SiO 2
альбит Na 2 Al 2 Si 6 O 16 или Na 2 O . Al 2 O 3 . 6SiO 2
анортит CaAl 2 Si 2 O 8 или CaO . Al 2 O 3 . 2SiO 2
Очень распространены минералы группы слюд, например мусковит Kal 2 (AlSi 3 O 10) (OH) 2 . Большое практическое значение имеет минерал нефелин (Na, K) 2 , который используется для получения глинозема содовых продуктов и цемента. Это производство складывается из следующих операций: a) нефелин и известняк спекают в трубчатых печах при 1200 о С:
(Na, K) 2 + 2CaCO 3 = 2CaSiO 3 + NaAlO 2 + KAlO 2 + 2CO 2
б) образовавшуюся массу выщелачивают водой – образуется раствор алюминатов натрия и калия и шлам CaSiO 3:
NaAlO 2 + KAlO 2 + 4H 2 O = Na + K
в) через раствор алюминатов пропускают образовавшийся при спекании CO 2:
Na + K + 2CO 2 = NaHCO 3 + KHCO 3 + 2Al(OH) 3
г) нагреванием Al(OH) 3 получают глинозем:
2Al(OH) 3 = Al 2 O 3 + 3H 2 O
д) выпариванием маточного раствора выделяют соду и потаж, а ранее полученный шлам идет на производство цемента.
При производстве 1 т Al 2 O 3 получают 1 т содопродуктов и 7.5 т цемента.
Некоторые алюмосиликаты обладают рыхлой структурой и способны к ионному обмену. Такие силикаты – природные и особенно искусственные – применяются для водоумягчения. Кроме того, благодаря своей сильно развитой поверхности, они используются в качестве носителей катализаторов, т.е. как материалы, пропитываемые катализатором.
Галогениды алюминия в обычных условиях – бесцветные кристаллические вещества. В ряду галогенидов алюминия AlF 3 сильно отличается по свойствам от своих аналогов. Он тугоплавок, мало растворяется в воде, химически неактивен. Основной способ получения AlF 3 основан на действии безводного HF на Al 2 O 3 или Al:
Al 2 O 3 + 6HF = 2AlF 3 + 3H 2 O
Соединения алюминия с хлором, бромом и иодом легкоплавки, весьма реакционноспособны и хорошо растворимы не только в воде, но и во многих органических растворителях. Взаимодействие галогенидов алюминия с водой сопровождается значительным выделением теплоты. В водном растворе все они сильно гидролизованы, но в отличие от типичных кислотных галогенидов неметаллов их гидролиз неполный и обратимый. Будучи заметно летучими уже при обычных условиях, AlCl 3 , AlBr 3 и AlI 3 дымят во влажном воздухе (вследствие гидролиза). Они могут быть получены прямым взаимодействием простых веществ.
Плотности паров AlCl 3 , AlBr 3 и AlI 3 при сравнительно невысоких температурах более или менее точно соответствуют удвоенным формулам – Al 2 Hal 6 . Пространственная структура этих молекул отвечает двум тетраэдрам с общим ребром. Каждый атом алюминия связан с четырьмя атомами галогена, а каждый из центральных атомов галогена – с обоими атомами алюминия. Из двух связей центрального атома галогена одна является донорно-акцепторной, причем алюминий функционирует в качестве акцептора.
С галогенидными солями ряда одновалентных металлов галогениды алюминия образуют комплексные соединения, главным образом типов M 3 и M (где Hal – хлор, бром или иод). Склонность к реакциям присоединения вообще сильно выражена у рассматриваемых галогенидов. Именно с этим связано важнейшее техническое применение AlCl 3 в качестве катализатора (при переработке нефти и при органических синтезах).
Из фторалюминатов наибольшее применение (для получения Al, F 2 , эмалей, стекла и пр.) имеет криолит Na 3 . Промышленное производство искусственного криолита основано на обработке гидроксида алюминия плавиковой кислотой и содой:
2Al(OH) 3 + 12HF + 3Na 2 CO 3 = 2Na 3 + 3CO 2 + 9H 2 O
Хлоро-, бромо- и иодоалюминаты получаются при сплавлении тригалогенидов алюминия с галогенидами соответствующих металлов.
Хотя с водородом алюминий химически не взаимодействует, гидрид алюминия можно получить косвенным путем. Он представляет собой белую аморфную массу состава (AlH 3) n . Разлагается при нагревании выше 105 о С с выделением водорода.
При взаимодействии AlH 3 с основными гидридами в эфирном растворе образуются гидроалюминаты:
LiH + AlH 3 = Li
Гидридоалюминаты – белые твердые вещества. Бурно разлагаются водой. Они – сильные восстановители. Применяются (в особенности Li) в органическом синтезе.
Сульфат алюминия Al 2 (SO 4) 3 . 18H 2 O получается при действии горячей серной кислоты на оксид алюминия или на каолин. Применяется для очистки воды, а также при приготовлении некоторых сортов бумаги.
Алюмокалиевые квасцы KAl(SO 4) 2 . 12H 2 O применяются в больших количествах для дубления кож, а также в красильном деле в качестве протравы для хлопчатобумажных тканей. В последнем случае действие квасцов основано на том, что образующиеся вследствие их гидролиза гидроксид алюминия отлагается в волокнах ткани в мелкодисперсном состоянии и, адсордбируя краситель, прочно удерживает его на волокне.
Из остальных производных алюминия следует упомянуть его ацетат (иначе – уксуснокислую соль) Al(CH 3 COO) 3 , используемый при крашении тканей (в качестве протравы) и в медицине (примочки и компрессы). Нитрат алюминия легко растворим в воде. Фосфат алюминия нерастворим в воде и уксусной кислоте, но растворим в сильных кислотах и щелочах.
Алюминий в организме . Алюминий входит в состав тканей животных и растений; в органах млекопитающих животных обнаружено от 10 -3 до 10 -5 % Алюминия (на сырое вещество). Алюминий накапливается в печени, поджелудочной и щитовидной железах. В растительных продуктах содержание Алюминия колеблется от 4 мг на 1 кг сухого вещества (картофель) до 46 мг (желтая репа), в продуктах животного происхождения – от 4 мг (мед) до 72 мг на 1 кг сухого вещества (говядина). В суточном рационе человека содержание алюминия достигает 35–40 мг. Известны организмы – концентраторы алюминия, например, плауны (Lycopodiaceae), содержащие в золе до 5,3% алюминия, моллюски (Helix и Lithorina), в золе которых 0,2–0,8% алюминия. Образуя нерастворимые соединения с фосфатами, алюминий нарушает питание растений (поглощение фосфатов корнями) и животных (всасывание фосфатов в кишечнике).
Геохимия алюминия . Геохимические черты алюминия определяются его большим сродством к кислороду (в минералах алюминий входит в кислородные октаэдры и тетраэдры), постоянной валентностью (3), слабой растворимостью большинства природных соединений. В эндогенных процессах при застывании магмы и формировании изверженных пород алюминий входит в кристаллическую решетку полевых шпатов, слюд и других минералов – алюмосиликатов. В биосфере алюминий – слабый мигрант, его мало в организмах и гидросфере. Во влажном климате, где разлагающиеся остатки обильной растительности образуют много органических кислот, алюминий мигрирует в почвах и водах в виде органоминеральных коллоидных соединений; алюминий адсорбируется коллоидами и осаждается в нижней части почв. Связь алюминия с кремнием частично нарушается и местами в тропиках образуются минералы – гидрооксиды алюминия – бемит, диаспор, гидраргиллит. Большая же часть алюминия входит в состав алюмосиликатов – каолинита, бейделлита и других глинистых минералов. Слабая подвижность определяет остаточное накопление алюминия в коре выветривания влажных тропиков. В результате образуются элювиальные бокситы. В прошлые геологические эпохи бокситы накапливались также в озерах и прибрежной зоне морей тропических областей (например, осадочные бокситы Казахстана). В степях и пустынях, где живого вещества мало, а воды нейтральные и щелочные, алюминий почти не мигрирует. Наиболее энергична миграция алюминия в вулканических областях, где наблюдаются сильнокислые речные и подземные воды, богатые алюминием. В местах смещения кислых вод с щелочными – морскими (в устьях рек и других), алюминий осаждается с образованием бокситовых месторождений.
Применение Алюминия . Сочетание физических, механических и химических свойств Алюминия определяет его широкое применение практически во всех областях техники, особенно в виде его сплавов с других металлами. В электротехнике Алюминий успешно заменяет медь, особенно в производстве массивных проводников, например, в воздушных линиях, высоковольтных кабелях, шинах распределительных устройств, трансформаторах (электрическая проводимость Алюминия достигает 65,5% электрической проводимости меди, и он более чем в три раза легче меди; при поперечном сечении, обеспечивающем одну и ту же проводимость, масса проводов из Алюминий вдвое меньше медных). Сверхчистый Алюминий употребляют в производстве электрических конденсаторов и выпрямителей, действие которых основано на способности оксидной пленки Алюминия пропускать электрический ток только в одном направлении. Сверхчистый Алюминий, очищенный зонной плавкой, применяется для синтеза полупроводниковых соединений типа А III B V , применяемых для производства полупроводниковых приборов. Чистый Алюминий используют в производстве разного рода зеркальных отражателей. Алюминий высокой чистоты применяют для предохранения металлических поверхностей от действия атмосферной коррозии (плакирование, алюминиевая краска). Обладая относительно низким сечением поглощения нейтронов, Алюминий применяется как конструкционный материал в ядерных реакторах.
В алюминиевых резервуарах большой емкости хранят и транспортируют жидкие газы (метан, кислород, водород и т.д.), азотную и уксусную кислоты, чистую воду, перекись водорода и пищевые масла. Алюминий широко применяют в оборудовании и аппаратах пищевой промышленности, для упаковки пищевых продуктов (в виде фольги), для производства разного рода бытовых изделий. Резко возросло потребление Алюминий для отделки зданий, архитектурных, транспортных и спортивных сооружений.
В металлургии Алюминий (помимо сплавов на его основе) – одна из самых распространенных легирующих добавок в сплавах на основе Сu, Mg, Ti, Ni, Zn и Fe. Применяют Алюминий также для раскисления стали перед заливкой ее в форму, а также в процессах получения некоторых металлов методом алюминотермии. На основе Алюминия методом порошковой металлургии создан САП (спеченный алюминиевый порошок), обладающий при температурах выше 300 °С большой жаропрочностью.
Алюминий используют в производстве взрывчатых веществ (аммонал, алюмотол). Широко применяют различные соединения Алюминия.
Производство и потребление Алюминия непрерывно растет, значительно опережая по темпам роста производство стали, меди, свинца, цинка.
Список использованной литературы
1. В.А. Рабинович, З.Я. Хавин «Краткий химический справочник»
2. Л.С. Гузей «Лекции по общей химии»
3. Н.С. Ахметов «Общая и неорганическая химия»
4. Б.В. Некрасов «Учебник общей химии»
5. Н.Л. Глинка «Общая химия»
Краткая история алюминия и его сегодняшнее применение
В 1825 г. датский ученый Ганс Христиан Эрстед впервые получил алюминий путем пропускания хлора через раскаленную смесь глинозема c углем.
Процесс включал последующий нагрев полученного безводного хлористого алюминия с амальгамой калия. Затем амальгаму разлагали нагреванием, ртуть испарялась, и таким образом получали алюминий.
В 1827 г. Фридрих Велер разработал способ получения более чистого металлического алюминия. Он вытеснил алюминий из того же хлорида металлическим калием. Велер первым подробно описал свойства алюминия и измерил его плотность.
В 1855 г. французский химик Анри Этьенн Сент-Клер Девиль разработал первый промышленный способ получения алюминия, основанный на вытеснении алюминия металлическим натрием из двойного хлорида натрия и алюминия.
Этим способом в течение 30 лет получали алюминий на заводах всего мира.
Но технически важным алюминий мог стать лишь при условии, что будет снижена температура плавления оксида алюминия. Выход нашли Чарлз Мартин Холл и Поль Эру. Они установили, что глинозем хорошо растворяется в расплавленном преолите. Этот раствор подвергают электролизу при температуре примерно 950°C.
В 1887 г. немецкий химик Карл-Жозеф Бауэр получил патент на выделение алюминия из бокситной руды.
Благодаря своей плотности алюминий позволил сконструировать самолеты и дирижабли. Из сплава системы Al-Mg-Si во всем мире делают лопасти вертолетных винтов.
Алюминий широко применяется при производстве автомобилей, велосипедов, самолетов, судов, железнодорожных вагонов, бутылок для воды, консервных банок...
Сегодня алюминий - это металл, который особенно ценится и используется в архитектуре. Алюминиевые конструкции применяются при проектировании и строительстве как промышленных, так и жилых зданий.
Алюминий использовался при строительстве Дворца пионеров в Москве, Пирамиды Лувра в Париже.
Внутри помещений из алюминия делают лестницы, потолки, перила, мебель. Алюминий также используется для изготовления декораций, проводов, красок “под серебро”. Этот металл очень ценится как материал обрамляющих конструкций при остеклении окон, веранд и витрин магазинов.
Оксид алюминия применяют для получения огнеупорных материалов, в производстве керамики.
Алюминий позволяет создавать архитектурные проекты и конструировать здания в рекордные сроки, при этом реализуя самые смелые замыслы, рождая в высшей степени оригинальные формы.
Подготовила Анастасия ЧУДИНОВА
| аренда техники: |
