Природные соединения алюминия:а – боксит; б – корунд; в – рубин; г – сапфир.

Основные области применения алюминия и его сплавов

Алюминий используется в производстве зеркал оптических телескопов, в электротехнике, для производства сплавов (дюралюмин, силумин) в самолёто- и автомобилестроении, для алитирования чугунных и стальных изделий с целью повышения их коррозионной стойкости, для термической сварки, для получения редких металлов в свободном виде, в строительной промышленности, для изготовления контейнеров, фольги и т.п.

Глава II . Основные соединения

Оксиды алюминия

Оксид алюминия образует несколько полиморфных разновидностей, или форм, имеющих одинаковый химический состав, различное строение кристаллической решетки и, следовательно, различные свойства. При производстве глинозема наибольшее значение имеют две из этих разновидностей: α–Al₂O₃ (альфа-глинозем или корунд) и γ–Al₂O₃ (гамма-глинозём).

Корунд – наиболее устойчивая форма глинозёма; встречается в природе в виде бесцветных или окрашенных примесями кристаллов, а также получается искусственным путем: при кристаллизации расплавленного глинозема или нагревании гидроксидов алюминия до высокой температуры. Кристаллизуется α–Al₂O₃ в тригональной системе. Корунд химически стоек но отношению к многим химическим реагентам и расплавам. Он очень медленно реагирует с растворами щелочей и кислот даже при высоких температурах. Корунд обладает высокой твердостью (9 по шкале Мооса), практически не гигроскопичен, т.е. не поглощает влаги при хранении. Плотность α–Al₂O₃ 4г/см³, температура плавления 2050°С, температура кипения около 3500°С. Теплота образования α–Al₂O₃ по реакции:

2Alтв+1,5O_{2 газ} = α–Al₂O₃

составляет примерно 1675 кДж/моль, теплота плавления 25 кДж/моль, теплота испарения примерно 630 кДж/моль.

Гамма-глинозём имеет кристаллическую решётку кубической системы. В зависимости от температуры получения γ–Аl₂O₃ кристаллизуется как в скрытокристаллической (высокодисперсной), так и в явнокристаллической формах. В природе γ–Al₂O₃ не встречается, а образуется при нагревании одноводного гидроксида алюминия (бемита) до 500 °С. При дальнейшем нагревании γ–Al₂O₃ превращается в α–Al₂O₃. Температура превращения γ–Al₂O₃ в корунд зависит от химической природы стабилизирующего оксида. Если стабилизирующим оксидом является вода, то превращение происходит в температурном интервале 850–1050 °С; в присутствии оксида лития γ–Al₂O₃ превращается в α–Al₂O₃при температуре выше 1500°С. Превращение γ–Al₂O₃ в α–Al₂O₃ сопровождается уменьшением объема иа 14,3 % и выделением 92 кД ж/моль тепла.

В отличие от α–Al₂O₃, γ–Al₂O₃ хорошо растворяется как в кислотах, так и в щелочах. При 400–500 °С γ–Al₂O₃ легко взаимодействует c фтористым водородом, образуя AlF₃. Скрытокристаллический γ–Al₂O₃ обладает большой способностью поглощать влагу (сильно гигроскопичен), а также другие вещества. Плотность γ–Al₂O₃ 3,42 г/см³, теплота образования 1583 кДж/моль.

При кристаллизации расплавленного глинозема, содержащего примеси соединении щелочных и щелочноземельных металлов, может быть получена β – разновидность оксида алюминия. Исследованиями установлено, что β–Al₂O₃ не является чистым оксидом алюминия, а представляет собой химическое соединение Al₂O₃ с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов (Na₂O•11Al₂O₃, CaO•6Al₂O₃, BaO•6Al₂O₃). Твердость и плотность β–Al₂O₃ меньше, чем корунда. При нагревании до температуры 1600–1700 °С происходит разложение β–Al₂O₃ и превращение его в α–Al₂O₃.

В литературе имеются также указания о существовании промежуточных разновидностей оксида алюминия, которые образуются при прокаливании гидроксидов алюминия.

Технический глинозем практически представляет собой смесь α– и β глинозема. Кристаллическая решетка глинозема имеет ионное строение – построена из нонов Аl³⁺ и О^2-. Известны соединения алюминия с кислородом низшей валентности, в которых алюминии является одно- и двухвалентным: Al₂O и АlO. Их получают при высоких температурах восстановлением глинозема или при его термическом разложении.

Гидроксиды алюминия

Существует несколько разновидностей гидроксидов алюминия: диаспор, бемит, гиббсит, байерит, норстрандит.

Диаспор и бемит Al₂O₃•Н₂О или AlO(OH) – полиморфные разновидности одноводного оксида алюминия, встречаются в природе в составе бокситов, кристаллизуются и ромбической системе и могут находиться в бокситах в кристаллической и скрытокристаллической формах. Элементарная ячейка кристаллической решетки диаспора и бемита состоит из ионов Al³⁺, ОH^-, О^2-. Плотность диаспора 3,3 – 3,5 г/см³, бемита 3 г/см³. При температуре около 500 °С диаспор и бемит теряют кристаллизационную воду, превращаясь в безводный глинозем. При этом диаспор превращается в α–Al₂O₃, а бемит – в γ–Al₂O₃:

Al₂O₃•H₂O (бемит) +147,8 кДж = γ–Al₂O₃+H₂O, Al₂O₃•H₂O (диаспор) +133кДж = α–Al₂O₃ + H₂O.

В щелочных растворах диаспор и бемит растворяются только при высоких температурах, при этом диаспор растворяется значительно хуже бемита.

Гиббсит (гидраргиллит) – трехводный оксид алюминия Al₂O₃•3H₂O, или Al(OH)₃ встречается в природе в составе бокситов и является промежуточным продуктом при производстве глинозема щелочными способами. В бокситах гиббсит находится в трех модификациях: аморфной, скрытокристаллической и кристаллической.

Кристаллизуется гиббсит в моноклинной системе; кристаллическая решетка его построена из ионов Al³⁺ и ОН^-. Плотность гиббсита 2,3–2,4 г/см³.

В обыкновенных условиях гиббсит – наиболее устойчивая форма гидроксида алюминия.

При нагревании до 200–250 °С гиббсит теряет две молекулы кристаллизационной воды и превращается в бемит

Al₂O₃•3H₂O +152 кДж = Al₂O₃•H₂O (бемит) + 2H₂O .

При дальнейшем нагревании бемит, как мы знаем, переходит в γ-Al₂O₃, который в свою очередь переходит в α-Al₂O₃. По мнению многих исследователей, превращение гиббсита в α-Al₂O₃ – более сложный процесс, и происходит он через ряд других промежуточных фаз. Гиббсит хорошо растворяется в щелочах и кислотах.

Банерит имеет такую же химическую формулу, что и гиббсит. В природе байерит не встречается. Оп может быть получен, например, при медленном пропускании углекислого газа через алюминатный раствор или при самопроизвольном разложении раствора при комнатной температуре. Плотность баиерита 2,55 г/см³.

Байерит – неустойчивое метастабильное соединение и при обыкновенной температуре превращается в гиббсит. С повышением температуры, а также степени дисперсности стойкость байерита уменьшается. В щелочных растворах байерит растворяется лучше гиббсита.

Известна еще третья модификация трехводного оксида алюминия – нордстрандит, которая впервые была синтезирована в 1956 г. Нордстрандит представляет собой прозрачные кристаллы моноклинной системы. Плотность нордстрандита 2,436 г/см³.

При быстром осаждении гидроксида алюминия из солевых растворов образуется студенистый осадок – алюмогель, не имеющий кристаллического строения, содержащий большое количество воды и обладающий высокой химической активностью. Алюмогель, как и банерит, неустойчив и с течением времени превращается в гиббсит. Кристаллизация алюмогеля происходит медленно и сопровождается обезвоживанием. Этот процесс называют старением алюмогеля. Высушенный при 300–400 °С алюмогель обладает хорошими адсорбционными свойствами.

Дата добавления: 2019-09-08; просмотров: 972; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!