Оксид, гидроксид и соли алюминия. Комплексные соединения алюминия

Алюминий, оксид, гидроксид и соли алюминия. Комплексные соединения алюминия. Представление об алюмосиликатах

Физические и химические свойства алюминия. Получение алюминия

Алюминий — элемент III периода главной подгруппы III группы. Принадлежит к семейст­ву р-элементов. Валентные электроны алюми­ния располагаются на s- и р-подуровнях внешне­го электронного слоя. Этих электронов три, поэтому алюминий может образовывать три ва­лентные связи, что для него наиболее типично. Поэтому для алюминия обычна степень окисления +3. В некото­рых соединениях он имеет степени окисления +2 и +1.

Природные соединения алюминия

Земная кора содержит 8,8% алюминия по массе. По распро­страненности в природе он занимает четвертое место среди всех элементов (после кислорода, водорода и кремния) и первое среди металлов. Важнейшие природные соединения алюминия — алю­мосиликаты, бокситы, корунд и криолит.

Алюмосиликаты будут рассмотрены далее.

Бокситы — горная порода, состоящая главным образом из гидратированного оксида алюминия и оксидов железа, которые придают им красный цвет. Содержат от 30 до 60% Аl₂O₃. Из бокситов получают алюминий.

Корунд — минерал состава Аl₂О₃, обладает большой твердос­тью, его применяют как абразивный материал.

Криолит — минерал состава AlF₃•3NaF или Na₃AlF₆. В насто­ящее время приготавливается искусственным путем, применяют в металлургии алюминия.

Получение

В промышленности алюминий получают электролизом рас­твора чистого Аl₂О₃ в расплавленном криолите Na₃AlF₆ с добавкой AlF₃ и CaF₂ при температуре 960°С. Криолит используется как растворитель оксида алюминия, кроме того, с добавкой CaF₂ он позволяет поддерживать в электролитической ванне температуру плавления не выше 1000°С.

Первым этапом в переработке руд является их очистка от примесей, вторым этапом — тщательное обезвоживание оксида алюминия. Электролиз проводят в стальных электролитических ваннах, у которых имеется внешняя теплоизоляция и внутренняя футеровка из огнеупорного кирпича.

Внутри электролитическая ванна выложена графитовыми блоками, так как расплавленные фториды при высокой темпера­туре растворяют обычную огнеупорную футеровку. Графитовые блоки в основании ванны вместе с расплавленным алюминием служат катодом, а аноды представляют собой угольные стержни, которые смонтированы так, чтобы они могли опускаться по мере их сгорания.

В первую очередь в электролизер загружают криолит и фто­рид кальция. После их расплавления (теплом, которое выделяет­ся при пропускании электрического тока) добавляют чистый

Al₂O₃.

Процессы, протекающие при электролизе расплава Аl₂О₃ в криолите, можно представить следующим образом:

Выделяющийся на аноде кислород окисляет угольные стержни: О₂+2С=2СО

2СО+О₂=2СO₂

I Именно поэтому конструкция электролитической ванны та­кова, что аноды можно опускать по мере их сгорания.

Во время электролиза образующийся металл периодически Удаляется со дна электролизера, он содержит обычно 98,5-99,8% алюминия, механические примеси (адсорбированные газы, электролит, оксид алюминия, уголь) и сплавы с элементами, ко­торые встречаются в алюминиевых рудах (Si, Fe). Механические примеси и адсорбированные газы обычно удаляются переплавкой алюминия-сырца, а железо, кремний удаляют последующим

электролитическим рафинированием. После электролитического рафинирования получают алюминий чистоты 99,9%.

Физические свойства

Чистый алюминий представляет собой легкий серебристо-белый металл (плотность 2,7 г/см³ — почти в три раза легче желе­за), очень пластичный, ковкий и тягучий, температура плавления 660°С, температура кипения — 2452°С. После серебра и меди металлический алюминий — лучший проводник электричества и тепла.

Алюминий легко поддается обработке: прокатывается в фоль­гу, вытягивается в тонкую проволоку, отливается, легко образует сплавы. При 600°С алюминий становится хрупким и его можно истолочь в зерна или в порошок. Природный алюминий состоит из одного изотопа ²⁷₁₃Al(100%).

Химические свойства

По химическим свойствам алюминий принадлежит к числу весьма активных металлов, обладающих амфотерными свойства­ми. В ряду напряжений он стоит за щелочноземельными метал­лами. В чистом виде как на воздухе, так и в воде он может хра­ниться очень долго, т.к. его поверхность со временем покрывается тонким и очень плотным оксидным слоем, который предохраняет его от окисления.

Если оксидную пленку разрушить (например, потереть по­верхность алюминия наждачным порошком или опустить его не­надолго в горячий раствор щелочи), то алюминий будет взаимо­действовать с водой:

2Al+6Н₂О=2Аl(ОН)₃+3H₂­

Будучи амфотерным элементом, алюминий в различных ус­ловиях ведет себя по-разному. В растворе щелочи алюминий вы­тесняет из воды водород, образуя соль алюминиевой кислоты — алюминат натрия (или калия), в котором он играет роль комплексообразователя:

2Аl+2NaOH+6Н₂O=2Na[Al(OH)₄]+3H₂­ Из кислоты алюминий вытесняет водород: 2Аl+6НСl=2АlСl₃+3H₂­

В этом случае он проявляет металлические свойства. Кон­центрированные азотная и серная кислоты на холоду пассивиру­ют металл (образуется защитная оксидная пленка), поэтому для хранения и перевозки азотной кислоты используют алюминие­вую тару. В сильно разбавленном виде азотная кислота на алюми-

ний также не действует, а серная легко растворяет алюминий, особенно при нагревании.

Алюминий легко реагирует с галогенами:

2Аl+3Сl₂=2АlСl₃

При высоких температурах (700-2000°С) взаимодействует с серой, азотом, углеродом, образуя сульфид Al₂S₃, нитрид AlN и карбид алюминия Аl₄С₃ соответственно: 2Al+3S=Al₂S₃

2Аl+N₂=2AlN 4Аl+3С=Аl₄С₃

Алюминий, введенный в пламя в виде стружки или порошка, ярко горит, выделяя большое количество энергии: 4Аl+3О₂= 2Аl₂О₃

Эта особенность алюминия широко используется для получения различных металлов и неметаллов из оксидов путем восстановления их алюминием. Впервые метод восстановления металлов из их оксидов алюминием был применен русским ученым

Н. Н. Бекетовым и получил название алюминотермии.

Алюминотермией называют реакции, протекающие между

оксидами металлов и алюминием с образованием соответствующего свободного металла и оксида алюминия. Алюмотермией можно получить только те металлы, теплота образования оксидов

которых меньше теплоты образования оксида алюминия. Этим способом получают в промышленности такие металлы, как Cr, Mn, Ti,

W, а также Si:

Cr₂O₃+2Аl=2Cr+Аl₂О₃

Тонко измельченная смесь алюминия и железной окалины носит название термита (25% Fe₃O₄ и 75% Аl) и применяется для сварки различных металлических деталей, например рельсов. При поджигании термита происходит следующая реакция:

3Fe₃O₄+8Al=4Аl₂О₃+9Fe

При этом выделяется большое количество тепла и развивается высокая температура (до 3500°С). Поскольку температура плавления железа намного меньше этой температуры, то оно расплавляется и, выливаясь на рельсы, сваривает их.

Применение алюминия и его сплавов

Алюминий широко применяется в технике. Крупным потре­бителем его является авиационная промышленность: самолет со­стоит на 2/3 из алюминия и его сплавов, а авиационный мотор — на 1/4 из сплавов алюминия. Поэтому его называют крылатым

металлом. Из алюминия изготавливают кабели и провода. Учиты­вая коррозионную устойчивость алюминия, из него изготавлива­ют детали аппаратов и тару для азотной кислоты. Корпуса авто­бусов, троллейбусов, цельнометаллических вагонов делают из алюминия и его сплавов. Из алюминия изготавливают упаковку для пищевых продуктов и посуду. Порошок алюминия является основой при изготовлении серебристой краски для защиты желез­ных изделий от коррозии. В производстве металлов алюминий занимает второе место после железа.

Оксид, гидроксид и соли алюминия. Комплексные соединения алюминия

Как уже отмечалось, алюминий способен проявлять перемен­ную валентность. Наиболее типичны (их большинство) соедине­ния, где валентность алюминия равна III.

Оксид алюминия (III) Аl₂О₃ (глинозем) — вещество белого цвета, тугоплавкое (t_пл=2044°С, t_кип=3530°С), практически не­растворимое в воде, с очень высокой твердостью. Является исход­ным сырьем для получения алюминия. В природе встречается в виде корунда и его разновидностей: сапфира (при окрашивании примесями в синий цвет), рубина (в красный) и аметиста (в фио­летовый цвет). Все они являются драгоценными камнями. Моно­кристаллы корунда — лазерный материал, рубинов — опорные камни часовых механизмов.

В лаборатории оксид алюминия получают, сжигая порошок алюминия в кислороде или прокаливая гидроксид алюминия:

4Аl+3О₂ =2Аl₂О₃

2Аl(ОН)₃=Аl₂О₃+3Н₂О

Оксид алюминия не растворяется в воде и с ней не реагирует. Он амфотерен: взаимодействует с кислотами (правда, с большим трудом) и щелочами:

а) с соляной кислотой как основной оксид образует соли алю­миния:

Аl₂O₃+6НСl=2АlСl₃+3Н₂О

б) с растворами щелочей с образованием гидроксокомплекса:

Аl₂O₃+2NaOH+7Н₂O=2Na[Al(OH)₄(H₂O)₂] Аl₂О₃+2OH^-+7Н₂O=2[Al(OH)₄(H₂O)₂]^-

в) с щелочами Аl₂О₃ лучше всего реагирует при сплавлении без воды, при этом получается соль метаалюминиевой кислоты:

Аl₂О₃+2NaOH=2NaAlO₂+Н₂О

Оксид алюминия взаимодействует также с карбонатами ще­лочных металлов (при сплавлении):

Аl₂O₃+Na₂CO₃=2NaAlO₂+СО₂ с кислыми солями (при сплавлении):

Аl₂O₃+6KHSO₄=Al₂(SO₄)₃+3K₂SO₄+3Н₂O

Оксид алюминия применяют для получения абразивных ма­териалов (корунд природный и искусственный), а также для по­лучения огнеупорных материалов, из которых изготавливают тигли.

Гидроксид алюминия Аl(ОН)₃ — белое студенистое вещество, плохо растворимое в воде, обладающее амфотерными свойствами.

Получают его косвенным путем — из солей алюминия дейст­вием на них растворами щелочей:

АlСl₃+3NaОН=Аl(ОН)₃ ¯+3NaCl Аl³⁺+3ОН^-=Аl(ОН)₃dwn

или карбонатов щелочных металлов:

2АlСl₃+3Na₂CO₃+3Н₂О=2Аl(ОН)₃¯+6NaCl+3СО₂ Аl(ОН)₃ выпадает в виде студенистого осадка белого цвета.

Гидроксид алюминия — типичный амфотерный гидроксид.

При взаимодействии с кислотами образуются соли, содержащие

| катионы алюминия, а с растворами щелочей (взятыми в избытке)

образуются алюминаты, т.е. соли, в которых алюминий входит в

состав аниона:

Аl(ОН)₃+3Н⁺=Аl³⁺+3Н₂О

Аl(ОН)₃+ОН^-+2Н₂О=[Аl(ОН)₄(Н₂O)₂]^-

Растворение амфотерных гидроксидов в щелочных растворах

рассматривается как процесс образования гидроксосолей (гидроксокомплексов). Экспериментально доказано существование гидроксомплексов [Аl(ОН)₄(Н₂О)₂]^-, [Аl(ОН)₆]^3-, [Аl(ОН)₅(Н₂O)]^2-; из них

первый — наиболее прочный. Координационное число алюминия

в этом комплексе равно 6, т.е. алюминий является шестикоординированным.

Диссоциацию амфотерного гидроксида алюминия в водном растворе более точно можно выразить уравнением:

Al³⁺+3OH^-« Al(OH)₃=Al(OH)₃+3Н₂О«[Аl(ОН)₄(Н₂O)₂]^-+Н⁺

Следует заметить, что безводные алюминаты могут быть по­лучены при сплавлении гидроксида алюминия С Щелочами или карбонатами:

2Аl(ОН)₃+K₂СO₃=2КАlO₂+CO₂­+3Н₂О

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, а также при получении толуола по реакции Фриделя-Крафтса:

В качестве катализаторов используются и другие галогениды алюминия.

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.