Государственное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 325
Фрунзенского района Санкт-Петербурга
РЕФЕРАТ ПО ХИМИИ
«ОКСИД АЛЮМИНИЯ»
Работу выполнила ученица 9 «А»
Ершова Мария
Научный руководитель:
Рогова Е. В.
Научный консультант:
Головко Н. В.
Санкт-Петербург
1. Введение……………………………………………………….3
3. Драгоценные камни и их образование……………………….6
Корунд..………………………………………………….……..6
Сапфиры………………………………………………………..7
Рубины…………………………………………………….……8
4. Физические свойства……………………………………....…..9
5. Химические свойства ……………………..............................10
6. Применение…………………….. ………………………..…..12
Получение алюминия…………………………………….…..12
Использование физических свойств Al 2 O 3 ………………......15
7. Заключение……………………………………………….…....17
8. Информационные источники…………………………..……..18
Введение
Драгоценности – это символ особого статуса, они украшают короны королей, как наглядное напоминание богатства и процветания того, кто их носит, а также и тех, кто это видит.
Знахари и целители приписывают некоторым драгоценным камням магическую силу. Легенды о знаменитых камнях, о счастье и бедах, которые они принесли своим владельцам, завораживают наше воображение.
Драгоценные камни – это именно сокровища. Их уникальные свойства ценились во все времена и по всему миру. Ценятся они, и по сей день. Возможно, внимание того, кто впервые поднял драгоценный камень, привлекла его яркая окраска или кристаллическая форма, а может быть, и цвет породы, в которую он был заключен.
Разнообразие цветов корунда зачаровывает и привлекает большинство людей, в особенности дам.
Чистый корунд бесцветен. Однако корунды используют не только, как драгоценность, есть еще множество применений этого минерала. А точнее то, из чего он состоит.
Цель работы: проанализировать свойства оксида алюминия и его применение в промышленности и в быту.
Задачи :
1. Проанализировать литературу по теме «Оксид алюминия»
2. Изучить исторический аспект явления вещества.
3. Изучить применение оксида алюминия.
4. Сделать выводы данной теме.
По распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье место среди всех элементов (после кислорода и кремния), на его долю приходится около 8,8% массы земной коры. Алюминия вдвое больше, чем железа, и в 350 раз больше, чем меди, цинка, хрома, олова и свинца вместе взятых! Алюминий входит в огромное число минералов, главным образом, алюмосиликатов, и горных пород. Соединения алюминия содержат граниты, базальты, глины, полевые шпаты и др. Всего же известно более 250 минералов, в состав которых входит алюминий; большинство из них – алюмосиликаты, из которых и образована в основном земная кора.
Соединения алюминия были известны человеку с древних времён. Одними из них являлись вяжущие вещества, к которым относятся алюмо-калиевые квасцы КAl(SO 4) 2 . Они находили широкое применение. Использовались в качестве протравы и как средство, останавливающее кровь. Пропитка древесины раствором алюмокалиевых квасцов делало её негорючей. Известен интересный исторический факт. 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.
При выветривании алюмосиликатов образуется глина , основу которой составляет минерал каолинит Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 O. Химический состав глин колеблется в широких пределах, и входящие в состав глин оксиды по разному влияют на процесс получения конечные свойства керамики. Оксид алюминия (глинозем – А1 2 0 3) при повышенном его количестве в глине приводит к увеличению температуры обжига и интервала спекания. А изделия с низким содержанием глинозема обладают невысокой прочностью. Примеси железа обычно окрашивают глину в бурый цвет, но встречаются и белая глина – каолин, которую применяют для изготовления фарфоровых и фаянсовых изделий.
Глинозём , Аl 2 О з - белое кристаллическое веществово, нерастворимое в воде, t пл =2050 о С. Встречается в природе в виде минералов - корунда (бесцветный), рубина (красный), сапфира (синий). О корунде мы будем говорить в следующей главе.
Важнейший минерал алюминия – боксит , Al 2 O 3 ·xH 2 O. Крупнейшие месторождения боксита находятся в Австралии, Бразилии, Гвинее и на Ямайке; промышленная добыча ведется и в других странах. Боксит (фр. bauxite) (по названию местности Baux на юге Франции) - алюминиевая руда, сырьё для получения глинозёма и глинозёмосодержащих огнеупоров. Содержание глинозёма в промышленных бокситах колеблется от 40 % до 60 % и выше. Используется также в качестве флюса в чёрной металлургии.
Но вот парадокс: при огромном числе минералов и пород, содержащих алюминий, месторождения бокситов - главного сырья при промышленном получении алюминия, довольно редки. В России месторождения бокситов имеются в Сибири и на Урале. Промышленное значение имеют также алуниты и нефелины .
(Алунит, квасцовый камень (фр. alunite - квасцы) - минерал состава K 2 SO 4 *Al 2 (SO 4) 3 *4Al(OH) 3 или KAl 3 (SO 4) 2 (OH) 6 . Цвет белый, серый.
Нефелин (элеолит) - породообразующий минерал, алюмосиликат калия и натрия ортокремниевой кислоты (Na,K)AlSiO 4 .)
Образование драгоценных камней
Семейство корундов, к которому принадлежит рубин и сапфир, имеет очень простую химическую формулу - Al 2 O 3: в молекуле корунда содержится два атома алюминия и три атома кислорода.
Чистый корунд - бесцветное вещество, но в природе редко образуются идеальные драгоценные камни, и обычно корунд бывает окрашен. Хром и ванадий – это те самые акцессорные элементы, которые придают рубину характерный для него красный цвет; синий сапфир обязан своим цветом железу и титану, а зеленый, желтый и розовый сапфиры – другим сочетаниям элементов-спутников.
Название «корунд» происходит от древних названий этого минерала: от тамильского kurundam и kurund на хинди.
Древние греки добывали корунд на острове Наксос в Эгейском море, и в наше время Наксос остается основным поставщиком абразивного наждака, используемого в промышленности в виде порошка, в быту мы встречаемся с ним в виде пилок для ногтей.
Чистый корунд бесцветен, сегодня он используется, как декоративный камень, в производстве часов, и как абразивный материал.
Месторождение корунда есть во многих странах мира.
В быту слово «сапфир» ассоциируется исключительно с синими камнями. Традиционные цвета сапфиров – от бледно-голубого до глубокого синего (индиго). Сапфиры других цветов обычно называют «фантазийными апфирами», и среди них встречаются черные, фиолетовые, зеленые, темно-серые, желтые, оранжевые и белые. Сапфиры, как драгоценные камни получили признание еще в VIII веке до н.э. Правители древней Персии полагали, что небо голубое потому, что в нем отражаются сапфиры. Разными оттенками сапфиры обязаны примесям железа и титана, причем встречаются полосатые и пятнистые камни. Включения, присутствующие в сапфирах отражают свет, в результате чего возникает эффект, получивший название «шелк». Самая прозрачная и бесцветная разновидность сапфира называется лейкосапфир.
Обычно сапфиры находят в виде кристаллов, имеющих таблитчатую пирамидальную или ромбоэдрическую форму, а также форму бочонка. Для сапфиров характерно повторяющееся двойникование. Всем сапфирам присущ плеохроизм: стоит камень повернуть, как его цвет меняется.
Звездчатыми называют такие камни, в которых несколько включений рутила, похожих на тонкие иглы, так отражают свет, что возникает мерцающая шестиконечная звезда. Этот эффект называется астеризмом.
Самые ценные сапфиры добываются в Кашмире. Эти сапфиры обладают богатым бархатным блеском.
С 1902 года стали выпускать синтетические сапфиры, полученные из расплава оксида алюминия с добавлением титана.
Сапфир-падпарадша
Падпарадша – чрезвычайно редкая разновидность сапфира нежного розовато-оранжевого цвета, что объясняется наличием небольших количеств хрома, железа и ванадия. Название происходит от сингальского padmaragaya, что значит «цвет лотоса».
Самый дорогой камень из всех сапфиров. Добывают его в Шри-Ланка.
Рубины – чрезвычайно редкие драгоценные камни. Известны рубины разных оттенков красного цвета – от розоватого до коричневато-красного. Интенсивность красного цвета зависит от количества хрома, усиливающего цвет. Коричневатый оттенок рубина свидетельствует о присутствии в них железа. Название происходит от латинского слова ruber , что значит «красный».
Рубины упоминаются еще в Библии. В Шри-Ланке их добычей занимаются более двух с половиной тысяч лет, а в Бирме с VI века.
Рубины встречаются в кристаллической известняке вместе со слюдой графитом, пирротитом и т. д.
Рубин- твердый камень, но двойниковые кристаллы ломаются довольно легко.
В 1902 году французский химик Огюст Вернейль разработал способ получения синтетических рубинов из оксида алюминия и красящего вещества.
Физические свойства
Оксид алюминия Al 2 O 3 – белый тугоплавкий порошок, температура плавления 2044°С, температура кипения 3530°С, плотность 4 г/см3, по твердости близок к алмазу. Известно несколько кристаллических форм оксида алюминия, до 2044°С стабильна кристаллическая модификация α-Al 2 O 3 – корунд.
Его кристаллическая структура представляет собой двухслойную плотнейшую шаровую упаковку из ионов кислорода, в октаэдрических пустотах которой размещены ионы алюминия, решетка ромбоэдрическая.
Химические свойства Al 2 O 3
На воздухе алюминий покрывается тончайшей, но очень плотной плёнкой оксида, предохраняющей металл от дальнейшего окисления. В связи с этим поверхность его обычно имеет не блестящий, а матовый вид.
Образующаяся на поверхности алюминия в атмосферных условиях плёнка оксида имеет обычно толщину менее 1 нм, но очень прочно связана с металлом. Искусственно получаемые действием окислителей плёнки значительно толще. Хорошая защитная плёнка может быть получена, например, погружением алюминия в раствор, содержащий 20 % Na 2 SO 4 и 10 % HNO 3 . С помощью подобранных наполнителей таким плёнкам можно придавать различную окраску.
Напротив, после контакта алюминия с раствором HgCl 2 плёнка эта становится столь рыхлой, что уже не защищает металл от дальнейшего окисления. В результате он быстро обрастает “бородой” из водного оксида (Al 2 O 3 ·xH 2 O) и постепенно окисляется нацело. Получившийся водный оксид, и сам по себе и после обезвоживания нагреванием, обладает высокой сорбционной активностью.
При нагревании стойкость оксидной плёнки значительно снижается. Особо следует отметить возможность заметной растворимости алюминия при кипячении его с разбавленными растворами некоторых органических кислот.
Лёгкость растворения алюминия в сильных щелочах обусловлена снятием с него защитной оксидной плёнки по схеме:
Al 2 O 3 + 2КOH - + 3 H 2 O = 2К.
Al 2 O 3 + 2 OH - + 3 H 2 O = 2 Al(OH) 4 -
Так как в ряду напряжений Al стоит значительнее левее водорода, обнажение чистой поверхности металла тотчас сопровождается реакциями по схемам:
2Al + 6H + ·(из воды) = 2Al +3 + 3H 2 и 2Al +3 + 8 OH - = 2Al(OH) 4 - .
Равновесие первой из них всё время смещается вправо за счёт второй. Аналогично протекает растворение в щелочах и других активных металлов, гидроксиды которых амфотерны (Sn, Zn и т. п.).
Оксид алюминия представляет собой белую очень тугоплавкую и нерастворимую в воде массу. Природный Al 2 O 3 (минерал корунд ), а также получаемый искусственно и затем сильно прокаленный, отличается большой твёрдостью и нерастворимостью в кислотах.
Оксид алюминия - амфотерный оксид с преобладанием основных свойств; с водой не реагирует.
1. Реагирует с кислотами и растворами щелочей:
а. Как основной оксид:
Al 2 O 3 + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 O
б. Как кислотный оксид:
Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na
2) Сплавляется со щелочами или карбонатами щелочных металлов:
Al 2 O 3 + Na 2 CO 3 = 2NaAlO 2 (алюминат натрия) + CO 2
Al 2 O 3 + 2NaOH = 2NaAlO 2 + H 2 O
Al 2 O 3 +2KOH = 2KAlO 2 (метаалюминат K) + H 2 O
Сплавляя Al 2 O 3 со щелочами, получают высокомолекулярные метааоксоалюминаты.
В алюмосиликатах алюминий играет такую же роль, как кремний: оба эти элемента образуют смешанное соединение – алюминат-силикат.
Кристаллические модификации Al 2 O 3 химически очень стойки, не взаимодействуют с водой и кислотами. В растворимое состояние оксид (сесквиоксид) алюминия можно перевести сплавлением со щелочами или K 2 S 2 O 7 по реакциям:
Al 2 O 3 + 2 NaOH = H 2 O + 2 NaAlO 2
Al 2 O 3 + 3 K 2 S 2 O 7 = Al 2 (SO 4) 3 + 3 K 2 SO 4 .
Применение Al 2 O 3
1. Оксид алюминия - сырьё для получения алюминия ; производится из алюминийсодержащих руд, преим. бокситов. Также алюминий получают из нефелинов, каолина, алунитов алюминатным или хлоридным методом. Сырьё в производстве алюминия, катализатор, адсорбент, огнеупорный и абразивный материал.
Первые попытки получить алюминий были сделаны 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, 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 AlF 3 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. В промышленных масштабах такой сплав был получен в немецком местечке Дюрене. Это произошло в 1911 году. Этот сплав был назван дюралюминием, в честь городка.
В промышленности алюминий получают электролизом раствора глинозема Al 2 O 3 в расплавленном криолите Na 3 AlF 6 . Процесс ведут при температурах около 1000 °С в специальных электрических печах. Электролиз Al 2 O 3 можно представить следующей условной схемой. В растворе оксид диссоциирует на ионы
Al 2 O 3 ↔Al 3+ +AlO 3- 3
На катоде разряжаются ионы Al 3+ : Al 3+ +3e - =Al 0
На аноде происходит процесс: 4AlO 3- 3 – 12e - =2Al 2 O 3 +3O 2
На аноде выделяется кислород, а на катоде - жидкий алюминий. Последний собирается на дне печи, откуда его периодически и выпускают. Катодом служит корпус элекролизера, на котором выделяется жидкий алюминий. На графитовом аноде выделяется кислород, который окисляет графит до оксидов углерода. По мере сгорания анода его наращивают. Поскольку жидкий алюминий имеет более высокую плотность, чем расплав, он собирается на дне элекролизера.
Очистка алюминия от примесей трудна, поэтому необходимо, чтобы чисты были сами исходные материалы для его получения. Криолит обычно готовят искусственно путём совместного растворения Al(OН) 3 и соды в плавиковой кислоте по реакции:
3 Na 2 CO 3 + 2 Al(OH) 3 + 12 HF = 2 Na 3 AlF 6 + 3 CO 2 + 9 H 2 O.
Природные бокситы, в состав которых входит 50-60 % Al 2 O 3 и ряд примесей (SiO 2 , Fe 2 O 3 и др), подвергаются предварительной химической переработке с целью выделения из них достаточно чистого сесквиоксида алюминия (содержащей не более 0,2 % SiO 2 и 0,04 % Fe 2 O 3). Методы такой переработки сильно зависит от состава исходного боксита и довольно сложны.
Печь для выплавки алюминия состоит из железного ящика, внутренние стенки и дно которого выложены теплоизолирующим слоем из огнеупорных материалов и поверх него - толстой угольной обкладкой, служащей при электролизе катодом. В качестве анода применяется массивный угольный электрод. Процесс ведут при температуре около 960 °С, напряжении около 5 В и силе тока около 140 тыс. А. Выделяющийся кислород образует с углём анода CO и CO 2 . Параллельно за счёт незначительного выделения фтора получаются небольшие количества CF 4 . Вследствие сгорания анода его приходится постепенно опускать вниз. Боковые стенки печи (и большая часть поверхности жидкости) покрыты твёрдой коркой электролита, препятствующий их разъединению выделяющимися у анода газами и предохраняющий расплав от охлаждения. Во время работы печи в неё периодически добавляется Al 2 O 3 (и немного криолита), а расплавленный металл удаляется.
Выплавка алюминия весьма энергоемка: тонна металла требует затраты около 10 тыс. кВт·ч электроэнергии. Первичная его очистка осуществляется продувкой хлора. Продажный металл содержит обычно 99,7 % алюминия. Наряду с другими примесями (главным образом Si и Fe) в нём имеются и следы галия.
Постоянный и все возрастающий спрос на алюминий в 1980-е годы уже не мог удовлетворить запасы бокситов. По прогнозам ученых, к середине XXI столетия бокситовый источник начнет иссякать. Необходимо срочно найти другие виды сырья. Впервые в мировой практике, столкнувшийся с этой же проблемой, именно в СССР стали получать глинозем (окись алюминия- Al 2 O 3) из алунита – белых или серовато-желтых квасцов (гидросульфатов калия и алюминия, содержащих до 37 % Al 2 O 3).
2. Высокая прочность связи Al-O-Al и плотная кристаллическая структура предопределяют высокую температуру плавления (порядка 2050°С), твердость и огнеупорность оксида алюминия. Так, корунд по твердости уступает лишь алмазу и применяется в качестве абразивного материала в виде корундовых кругов и наждака. В качестве огнеупорного материала широко используется также искусственно, получаемый, из бокситов сильно прокаленный Al 2 O 3 , называемый алундом. Благодаря высокой твердости, искусственно получаемые монокристаллы корунда (в частности рубины) используют как опорные камни в точных механизмах. Искусственные рубины используют в качестве квантовых генераторов (лазеры).
Обычно загрязнённый оксидом железа природный корунд вследствие своей чрезвычайной твёрдости 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 оксидом алюминия, получаемым сплавлением боксита (техническое название - алунд).
Чистый оксид алюминия (т. пл. 2050, т. кип. 3500 °С) непосредственно используется в производстве зубных цементов. Так, порошок одного из видов высококачественного зубного цемента получается сплавлением при 700-800 °С и последующим измельчением тщательно приготовленной смеси следующего состава: 28,4 % Al 2 O 3 , 20,9-SiO 2 , 19,7-Na 2 SiF 6 , 19,0-CaSiF 6 , 3,9-CaCO 3 , 4,1-H 3 PO 4 , 4,0-H 3 AsO 4 . Жидкость для замешивания такого цемента представляет собой крепкий раствор Al(H 2 PO 4) 3 .
Изделия из оксида алюминия обладают очень высокой механической прочностью и сохраняют её до 1800 °С. Исключительно велика и их химическая стойкость. Вместе с тем они хорошо проводят тепло и переносят температурные колебания. Напылением расплавленного оксида алюминия может быть создано эффективное защитное покрытие на металлах.
Сплавление равных по массе количеств Al 2 O 3 и SiO 2 с последующим выдуванием их расплава было получено стекловолокно (“файберфракс ”), характеризующееся высокой термической устойчивостью и большой устойчивостью к химическим воздействиям. Оно не изменяет свои свойства до 1250°С, плавится лишь выше 1600°С и особенно пригодно для изготовления теплоизоляционных материалов.
На основе корунда был сконструирован сверхпрочный искусственный камень - “микролит ”. Он состоит из очень мелких (порядка микронов) зёрен корунда с небольшой добавкой связывающего стеклообразного материала. Микролитовые резцы сохраняют свою чрезвычайную твёрдость до 1200 °С и допускают поэтому очень большую скорость металлообработки.
На кристалле рубина была впервые (1960 г.) реализована идея оптического квантового генератора (“лазера ”) - устройства, создающего направленный пучок монохроматического (т. е. имеющего одну определенную длину волны) излучения в видимой области спектра или вблизи неё. Действие лазера (как и родственного ему “мазера”, генерирующего аналогичный пучок коротких радиоволн) основано на выделение энергии за счёт одновременно происходящего определённого снижения энергетического уровня множества одинаковых частиц.
Заключение
Область применения оксида алюминия очень широка, увлекательная история его открытия начинается еще с древних времен. Еще в древнем Риме люди стремились узнать об этом веществе, узнавая все больше и больше о его свойствах. И уже сейчас существуют новые нано-технологии, в которых оксид алюминия играет главную роль. Возможно, в будущем с помощью этого вещества, будет разработана новая техника, появится еще один, а может и несколько видов драгоценных камней, полученных так же, как и ныне существующие, искусственным путем.
Информационные источники
1. Энциклопедия. Геология.М., «Аванта+»1995,с.304,306,357.
2. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия.М., «Высшая школа»1998.с.430-432.
3. Олдершоу.К. Атлас драгоценных камней.
4. Комкова Е.Г. Группа химических астероидов.М., «Просвещение» 1984.с.404,405
5.Сайт: http://schoolchemistry.by.ru Оксид Алюминия.
6.Сайт: http://www.alhimikov.net Алюминий.
Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.КнунянцАЛЮМИНИЯ ОКСИД (глинозем) Al 2 О 3 , бесцветное кристаллы; температура плавления 2044°С; температура кипения 3530 °С. Единственная стабильная до 2044°С кристаллич. модификация АЛЮМИНИЯ ОКСИД о.-Al 2 О 3 (корунд): решетка ромбоэдрич., а = 0,512 нм,= 55,25° (для гексагон. установки а = 0,475 нм, с = 1,299 нм, пространств. группа D 6 3d , z = 2); плотность 3,99 г/см 3 ;Н° пл 111,4 кДж/моль; уравения температурной зависимости: теплоемкости С° р = = 114,4 + 12,9*10 -3 Т - 34,3*10 5 Т 2 ДжДмоль*К) (298Т 1800 К), давления пара Igp (Па) = -54800/7+1,68 (до ~ 3500 К); температурный коэффициент линейного расширения (7,2-8,6)*10 -6 К -1 (300Т1200 К); теплопроводность спеченного при 730°С образца 0,35 Вт/(моль*К); твердость по Моосу 9; показатель преломления для обыкновенного луча n 0 1,765, для необыкновенного п е 1,759. См. табл.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОКСИДОВ АЛЮМИНИЯ
Модификация-Al 2 О 3
встречается в природе в виде минерала корунда, который часто содержит в растворенном
виде оксиды др. металлов, придающих ему различные окраску. Прозрачные окрашенные
кристаллы-драгоценные камни (сапфиры, рубины и др.). Корунд может быть получен
искусственно в результате термодинамически разложения ромбич. модификации AlООН-диаспора
или полиморфных переходов метастабильных форм Al 2 О 3
( и т.д.),
которые образуются при разложении кристаллич. модификаций Al(ОН) 3 -гиббсита
и байерита и АlOОН-бемита (см. Алюминия гидроксид). Эти процессы
может быть представлены следующей схемой:
МодификацияAl 2 О 3 имеет тетрагон, кристаллич. решетку типа шпинели (а = 0,562 нм, с = 0,780нм); плотность 3,3-3,4 г/см 3 ; содержит структурно связанную воду в кол-ве 1-2%. Существует также аморфный АЛЮМИНИЯ ОКСИДо. - алюмогель, образующийся при обезвоживании гелеобразного Al(ОН) 3 и представляющий собой пористое, иногда прозрачное вещество. АЛЮМИНИЯ ОКСИД о. не растворим в воде, хорошо растворим в расплавленном криолите. Амфотерен. С NH 3 -H 2 O не реагирует. Химическая активность синтетич. А. о. сильно уменьшается с повышением температуры его получения. Прир. и искусственный (образовавшийся выше 1200°С) корунд на воздухе при обычных условиях химически инертны и негигроскопичны. Ок. 1000°С интенсивно взаимодействие со щелочами и карбонатами щелочных металлов, давая алюминаты. Медленно реагирует с SiO 2 и кислыми шлаками с образованием алюмосиликатов. При сплавлении взаимодействие с KHSO 4 . Корунд, образовавшийся из диаспора при 500-600 °С, взаимодействие также с растворами кислот и щелочей. Алюмогель иAl 2 О 3 , полученный при обжиге ги-дроксидов Al при ~550°С, весьма гигроскопичны и химически активны, реагируют с растворами кислот и щелочей.
Сырье для получения АЛЮМИНИЯ ОКСИДо. - бокситы, нефелины, алуниты и др. (см. Алюминии^ При соотношении в рудах Al 2 О 3:SiO 2 > 6-7 их перерабатывают по способу Байера (основные метод), при Al 2 O 3: SiO 2 < 6 (высококремнистое сырье) - спеканием с известью и содой.
По способу Байера измельченный в шаровых мельницах боксит выщелачивают в автоклавах оборотным щелочным раствором алюмината Na (после выделения из него части Al 2 О 3) при 225-250°С. При этом алюминий переходит в раствор в виде алюмината Na. В случае бокситов, содержащих гиббсит, выщелачивание можно производить при 105°С и обычном давлении в аппаратах с мешалкой. Алюминатные растворы разбавляют водой, отделяют шлам и подвергают разложению в аппаратах с мешалкой или эрлифтом 30-70 ч, причем выделяется ок. 1 / 2 образовавшегося при этом Al(ОН) 3 . Его отфильтровывают и прокаливают во вращающихся печах или в кипящем слое при ~ 1200°С. В результате получается глинозем, содержащий 15-60% Al 2 О 3 . Маточный раствор упаривается и поступает на выщелачивание новой партии боксита.
По второму способу 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 ок. 0,6 МПа, а затем известью при атмосферном давлении, и разлагают алюминат газообразным СО 2 . Полученный Al(ОН) 3 отделяют от раствора и прокаливают при температуре ок. 1200°С. 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 восстановит. атмосфере и обрабатывают раствором NaOH по способу Байера. Монокристаллы выращивают зонной плавкой, по методу Вернейля или Чохральского.
Синтетич.Al 2 О 3 -промежуточные продукт в производстве Al (основные область использования), огнеупорный и абразивный материал. Его применяют также при получении керамич. резцов, электротехн. керамики. Монокристаллы-лазерный материал, опорные камни часовых механизмов, ювелирные камни. Прир. корунд-абразивный (корундовые круги, наждак) и огнеупорный материал. Алюмогель,Al 2 О 3 и его смесь с -Al 2 О 3 - адсорбенты для осушки газов (например, Н 2 , Аг, С 2 Н 2) и жидкостей (ароматических углеводородов, керосина и др.), в хроматографии; катализаторы (например, дегидратации спиртов, изомеризации олефинов, разложения H 2 S); носители для катализаторов (например, Со-МоО 3 , Pd, Pt).
Мировое производство АЛЮМИНИЯ ОКСИД о. ок. 30 млн. т/год (1980). Известны также и другие А. о. (см. табл.), существующие в газовой фазе.
Химическая энциклопедия. Том 1 >>
Оксидная изоляция алюминия относится к классу нагревостойкости С. Так как температура плавления оксида алюминия очень высока, около 2050 С, можно нагреть алюминиевый оксидированный провод до температуры плавления металла (см. стр. Однако недостатками оксидной анодированной изоляции являются ее малая гибкость и заметная из-за пористости пленки гигроскопичность. В тех случаях, когда не требуется особо высокой нагревостойкости, оксидная изоляция может пропитываться и покрываться лаком.
Физические свойства оксидов изменяются закономерно и соответственно изменению свойств элементов по периодам и группам. На рис. 80 представлена зависимость температуры плавления оксидов от порядкового номера элемента. При обычной температуре оксиды металлов - твердые кристаллические вещества, оксиды неметаллов могут быть в газообразном (SOa, CO и др.), в жидком (Н2О и др.) и твердом (РаОз, Р2О5, SiO2 и др.) агрегатных состояниях.
Аналогично этому ванадиевые и молибденовые катализаторы не могут легко восстанавливаться этиленом при температуре его полимеризации, поэтому для достижения высокой активности необходимо использовать промотор, служащий восстановителем. Как показано в табл. 6, температура плавления оксида резко возрастает при переходе от хрома к ванадию и молибдену. Низкая точка плавления СгО3 обеспечивает его подвижность по поверхности оксида кремния и тем самым высокую дисперсность.
Приведенные условия определяют требования к металлу, обрабатываемому кислородной резкой. Прежде всего, температура плавления металла должна быть выше температуры плавления оксидов.
Поведение оксида позволяет в определенной степени прогнозировать реакцию того или иного катиона при прокаливании на угле. Например, соединения марганца давать возгона не будут, так как температура плавления оксида марганца 1650 С. Возгоны таллия и германия получить можно, так как оксид таллия плавится при 300 С, давая черный возгон, а оксид германия способен возгоняться из твердого состояния при 700 С. Эти металлы не включены в приведенную выше таблицу, так как редко встречаются в практике качественного анализа. Образование королька связано со способностью оксида металла восстанавливаться углем. Например, галлий королька давать не будет, так как его оксиды не восстанавливаются углем.
После общей очистки обжиговый газ, полученный из колчедана, обязательно подвергается специальной очистке для удаления остатков пыли и тумана и, главным образом, соединений мышьяка и селена, которые при этом утилизируют. В специальную очистку газа входят операции охлаждения его до температуры ниже температур плавления оксида мышьяка (315 С) и селена (340 С) в башнях, орошаемых последовательно 50 % - ной и 20 % - ной серной кислотой, удаления сернокислотного тумана в мокрых электрофильтрах и завершающей осушки газа в скрубберах, орошаемых 95 % - ной серной кислотой. Из системы специальной очистки обжиговый газ выходит с температурой 140 - 50 С.
В последних трех случаях этой таблицы (Al, Mg и Zn) температура анода и катода определяется температурой плавления оксидов, которыми соответствующие металлы покрываются при - горении дуги в воздухе.
Для нормального протекания процесса кислородной резки необходимо, чтобы выполнялись следующие условия. Температура воспламенения металла должна быть ниже температуры плавления. Температура плавления оксидов металла должна быть ниже температуры плавления самого металла. Оксиды должны быть жидкотекучими. Теплота, выделяющаяся при сгорании металла, должна быть достаточно большой для поддержания непрерывного процесса. Этим условиям полностью отвечают малоуглеродистые стали. Низколегированные конструкционные стали режутся удовлетворительно. Высоколегированные хромистые и хромоникелевые стали, чугун, а также цветные металлы не поддаются обычной газо-кислородной резке. Для газовой резки этих металлов применяются флюсы, которые растворяют относительно тугоплавкие оксиды и повышают тепловыделение при резке.
Защитные свойства хлоридных пленок низкие, в некоторых случаях металлы в токе хлора возгораются. В табл. 6.4 приведены температуры плавления хлоридных солей ряда металлов. Для сравнения указаны температуры плавления оксидов и сульфидов.
Если рассматривать свойства металлов в состоянии со степенью окисления 5, нужно отметить следующее: оксиды - плотные, устойчивые, инертные вещества. По размерам атома и иона ниобий и тантал близки друг к другу. Это отражается и на свойствах оксидов, температура образования которых у ниобия и тантала высокая, как и температура плавления оксидов, а высшие оксиды NbsOs и Та2О5 практически нерастворимы в воде. Если сравнивать ионы одной и той же степени окисления, то можно заметить усиление металлических свойств. Кислотные свойства гидроксидов выше, чем в подгруппе титана, и падают от ванадия к танталу. Гидроксид ванадия-слабая кислота, а ниобия и тантала - соединения амфо-терные. Так как у этих элементов не заполнены d - орбитали, то значит они способны образовывать комплексные соединения. Атом ниобия в NbF5 обладает положительным зарядом, так как фтор оттягивает от Nb электроны.
Сварка алюминия и его сплавов затруднена вследствие его особых теплофизических свойств. При контакте с воздухом на поверхности алюминия образуется плотная тонкая пленка оксида А12Оз, которая предохраняет металл от дальнейшей коррозии, но одновременно ухудшает условия сварки, так как температура плавления оксида алюминия 2050 С, поэтому перед сваркой надо удалить с поверхности алюминия оксид. Алюминий легко окисляется при сварке, и оксидная пленка, образующаяся на каплях и в ванне, загрязняет шов. В расплавленном состоянии алюминий хорошо растворяет водород, который при повышенной скорости охлаждения, вызванной высокой теплопроводностью металла, не успевает выделиться в момент кристаллизации и вызывает пористость.
(лат. Aluminium) - химический элемент III группы периодической системы Менделеева, атомный номер 13, атомная масса 26,981.
В земной коре содержится 8,80% алюминия; это третий по распространенности на нашей планете элемент после кислорода и кремния. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд. Важнейший минерал алюминия - боксит содержит 28-60% глинозема - оксида алюминия
Al2O3.
– самый распространенный в природе металл, но в чистом виде его впервые получил датский физик X. Эрстед лишь в 1825 г., позже многих металлов. Алюминий - легкий серебристый металл, он хорошо проводит тепло и электричество. Алюминий химически активен. Легко окисляется кислородом, правда, только на поверхности. Оксидная пленка А12О3 надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия
или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в тот же оксид. Алюминий растворяется в соляной и серной кислотах, а также в водных растворах щелочей. Активно он реагирует с галогенами. Гидроксид алюминия А1(ОН)3 - типичное амфотерное соединение - белое, полупрозрачное, студенистое вещество.
В большинстве соединений алюминий трехвалентен, но при высоких температурах он способен проявлять и степень окисления + 1. Из соединений этого металла самое важное, очевидно, оксид А12О,. Этой формулой выражается состав и глинозема, и очень твердого минерала корунда. Кристаллы корунда, окрашенные примесями в синий цвет, называют сапфиром, в красный - рубином. Рубины и сапфиры в наше время получают искусственным путем в промышленных масштабах.
Еще долго после того, как алюминий получили в чистом виде, этот металл оставался очень редким и дорогим. Выделить его из природных соединений трудно, так как очень крепко связан он в них с кислородом и другими элементами. Алюминий можно получить электролизом расплава оксида алюминия , но плавится это вещество лишь при 2050°С. поэтому требуется слишком большая затрата энергии.
Технически важным металлом алюминий мог стать лишь при условии, что будет найден способ снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000°С. Такой «обходный маневр» нашли почти одновременно американец Ч. Холл и француз П. Эру. Они установили, что глинозем хорошо растворяется в расплавленном криолите - минерале состава Р3 ЗКаР. Этот расплав подвергают электролизу при температуре ~ 950°С на алюминиевых производствах. Правда, вскоре после открытия Холла и Эру выяснилось, что запасы криолита на Земле очень ограниченны. Было организовано производство синтетического криолита, и сейчас алюминий самый дешевый из всех цветных металлов.
Большая часть производимого в мире алюминия идет для получения легких сплавов, алюминию добавляют медь, магний, кремний, цинк. марганец, чтобы повысить его прочность. Алюминий называют главным металлом авиационной техники наших дней, он нужен также в транспортном машиностроении, в химической промышленности и электротехнике. Алюминий очень прочный металл: его можно обрабатывать давлением при нормальных и чуть повышенных температурах, изделия из него можно готовить методами прокатки, вытягивания, штамповки, ковки, прессовки.
