Н.С. Ахметов - Общая и неорганическая химия (1109650), страница 83
Текст из файла (страница 83)
Важным минералом для получения аль>мипия является боксит А1>О>.пН20; астрочается в природе минерал ьоруцд А120;. Способность аль>миния давать аниоицые комплеьсь> опродстшт нахожденис алюминия в виде алк>мосилиьатов, В алюмосиликатах сосредоточена осис>впая масса аль>миция земной коры Распространенным продуктом разрушения горных пород являет- ся каояии, состоящий в основном из глинистого минерала кавяииита А!9[Б!90>о](ОН)в (А120з 2%02 2НгО). Важное промышленное значение имеет минерал криояит МазА!Гв.
Простое вещество. В виде простого вещества алюминий — серебристо-белый металл (т, пл. 660 'С, т. кип. - 2500 'С). Кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Обладает высокой электрической проводимостью и теплопроводностью, исключительно пластичен. Алюминий химически активен; даже в обычных условиях покрывается очень прочной тончайшей (0,00001 мм) оксидной пленкой.
Последняя несколько ослабляет металлический бяеск алюминия и определяет его довольно высокую коррозионную стойкость. Так, алюминий горит в кислороде лишь при высокой температуре и притом в мелко- раздробленном состоянии. Взаимодействие сопровождается большим выделением теплоты (сзг>гдз —— — 1676 кДж/моль А!202). Подобным же образом протекает взаимодействие алюминия с серой. С хлором и бромом он реагирует при обычной температуре, а с иодом — при нагревании или в присутствии воды как катализатора.
При сияьном нагревании реагирует с азотом (800 'С) и углеродом (2000 'С). С водородом непосредственно не взаимодействует. Вследствие высокого сродства к кислороду (2!С~ гдв — — 1582 кДж/моль А120з) алюминий активно восстанавливает многие металлы из оксидов (аяк>я>отеря>ия). При этом реакция обычно сопровождается выделением большого количества теплоты и повышением температуры до 1200 — 3000'С. Алюмотермия применяется в производстве марганца, хрома, ванадия, вольфрама, ферросплавов. 0 высокой химической (восстановительной) активности алюминия свидетельствуют также значения его стандартного электродного потенциала в кислой и щелочной среде: А!з' + Зе = А! р,'„= -1,66 В А! 02 + 2Н20 + Зе- = А1 + 40Н, р299 — - -2 35 В Будучи амфотерным, алюминий растворяется в растворах кислот и щелочей, образуя соответственно катионные и анионные комплексы; 2А! + 60Н' + 6Н20 = ЗНг + 2[А!(ОН2)в]з' 2А! + 6НгО + 60Н = ЗНг + 2[А1(ОН)в]зКак в том, так и в другом случае окисление алюминия сопровождается выделением водорода.
Если механическим путем или амальгамированием снять предохраняющее действие оксидной пленки, то алюминий энергично взаимодействупг с водой: 489 2А) + 6Н20 = 2А!(ОН)л + 0Н !<20<) С! С), ~ С! А! ' С! ~ С1 А1 С) ~ С) С! !' и <. 190. Фрагмент диа<рлммы плавкости системы )><нлА!Г<, — А! |02 ОН Нго ~ сОН2 А! но | .он, ОН2 А)202 А)з' + А!03 + )С! е а 4А!03 — !2< = 2А) 03 + 802 С1- С! А! (С2Н!)20 С1 А ! С13' 6Нго С! ~С) на<аеванне выме 200'О ~1 А! С1 С! 491 В<лед<тане образования защитной пленки алюминий устойчив в очень разбавленной Н!НОв и концентрированных растворах ПН03 и Н250! Иа холод)'.
Склон>юсть к пнссивированию позволяет ~~~~~~т~ коррозиопнуэо стойкость алюминия обработкой его поверхности соответствующими оки<литез!ями (конц. 1!)>Ол, К2С| От) или анолным окислением. Г!рн этом толщина защитной пленки возрастает. У<тойчиВость алюминия ПОЗВОляот и<ИОльэоВать его для изготовления емкостей для храт, С копия и транспортировки азотной ки<— !<22<2 лоты 11олучение и применение алюминия. В промышленности алюминий получают :>лект!И>лизок раствора глинозема А) О, В расплавленном криолитс На!А)Гь Содержание в раствора |На>А1Гь (92 --94%) и УУВ А!202 отвечает эвтектическому с<и тану (ри<.
190).:)то поэв<>|ми>т вести проце<с 2) 23 22)<2 электролиза прн сравнит< <ык> пнзкон М'а А!Г 3 3 А! 0 температуре (800 — 1000 ' С. температуре 7 3 <>)аг дата )<1 0 е< пааВлелпя криолита 100 ! С). 2 3 Электролиз А1203 моно<о представить гледующей условнои схемоп В растворе А1|О| дис<оцнирует нн ионы на катоде разряжлк>тся ионы А!3'.
А Г" + .'! с = А) нн аноде пронгходит проце<т Натодом служит корпус .щектролизера, на котором выделю тся ,кидкпй алюминий (т. пл. 660 <'.). На графнтовом аноде выделяется кислород, который окисляет грнфит до оксидов углерода. По мере сгорания анода его наращивак>т. Погкольку л<идкни ю!юминни имеет более высокук> плотност!ч чем расплав, он собнраотся пн дне электролизера. По применению апоминий занимает одно из первых мост среди металлов.
'.)то обусловлоно <жо певыгокой плотност! ю, выгокон про <- ность!о, способностью пассироваться. Из а|помнния изготавливаются химическая аппаратура, злектричегкие провода, конденгаторы. Алк>- миниевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевои и фармацевтической промышленности для упаковки продуктов и препаратов. Основную массу алюминия используют для получения легких сплавов — дурааюжина (94% А1, 4% Сп, по 0,5% М8, Мп, Ге и В!), галуа<вне (85 — 90% А1, 10 — 14% ВВ 0,1% 1>)а) и др Сплавы алк>миния широко применяются в автомобилестроении, судостроении, авиационной технике и пр.
Из алюминиевого сплава был изготовлен первый искусственный спутник Земли. Алюминий, кроме того, применяется как легирующая добавка ко многим сплавам для придания им жаростойкости. Соединения алюминия с <(-элементами — алюоинидм (<>>А1, 1Ч)3А1, СоА1, Т!2А1, Т<А! и др.) и их <плавы используются в качестве;каро- прочных (до 1200 'С) материалов. Соединения алюминия (П1), Характерные координационные числа А)(П1) равны 6 и 4, что гоответгтвуют октаэдрическому и татра>дрическому строеник> структурных единиц. Так, в кристаллическом А)С1> его координационное число 6. При растворении А!С1, в воде образуются октаздрические акваионы [А!(ОН)2)а)"".
При ра<творенин в неполярных растворителях или при возгонке образуются молекулы А1>С)<,.| Поскольку для А!(П1) наиболее типичны координационные числа 6 и 4, его бинарные соединения А!Гз А1С!з, А)гОз А!зЯз А!)У(, А!Нз в обычных условиях полимерны. Они представляют собой твердые вещества белого цвета. 0 к с и д алюминия А!зОз известен в виде нескольких модификаций. В обычных условиях наиболее устойчив а-А!зОз (см.
рис. 69, Г) Эта модификация встречается в природе в виде минерала хог/унда. Часто в корунде атомы А1(1П) частично замещены на атомы других элементов, придающих ему окраску. Прозрачные окрашенные кристал— лы корунда — красный рубин — примесь Сг(П1) — и синий сапфир— примесь Тз(П1) и Гс(П1) — драгоценные камни. Их получают также искусственно. Высокая прочность связи А1 — 0 — А! и плотная кристаллическая структура предопределяют большую энтальпию образования, высокую температуру плавления (порядка 2050 С), твердость и огнеупорность оксида алюминия. Так, корунд по твердости уступает лишь алмазу (а также карборунду и эльбору) и применяется в качестве абразивного материала в виде корундовых / Ф/ ~ / кругов и наждака. В качестве абразивного и огнеупорного материала широко используется также искусственно получаемый из бокси! тов сильно прокаленный А!зОз, называемый алундолс Благодаря / высокой твердости искусственно получаемые монокристаллы корунда (в частности, рубины) используют как опорные камни в точных механизмах.
Искусственные рубины Ф",Ф используются в качестве квантовых т генераторов (лазеры). Кристаллические модификации А!зОз химически очень стойки, не ФА! з<а! Он взаимодействуют с водой и кислотами. Щелочами, разрушаются лишь при длительном нагревании. Основная область применения А!зОз — производство металлического алюминия. Используемый для этих целей злннозе и получают из бокситов и комплексной переработкой нефелина. Г и д р о к с и д алюминия А!(ОН)з — полимерное соединение. 492 Р и с. !9!.
Структура гилраргиллита А!(ОН)з Так, природный гидроксид (минерал гндрарзиллнш) имеет слоистую кристзлличвскую решетку (рис. 19!). Слои состоят из октаэдров А!(ОН)„; между слоями действует водородная связь. Получаемый по обменной реакции гидроксид — студенистый белый осадок. Состав и структура осадка существенно зависят от условий получения и хранения. Обычно приводимое уравнение реакции получения гидроксида А!з + ЗОН- = А!(ОН)з не раскрывает всей сложности механизма его образования. Получение гидрокснда можно представить в виде следующей схемы. При действии щелочей ионами ОН постепенно замещаются в аквакомплексах [А!(ОНз)з]т' молекулы воды: [А!(ОН,),Р + ОН- = [А!(ОН)(ОНз)зР + Нзо [<А!(Он)(Онз)зР + ОН- = [А!(ОН)з(ОН,).„" + НзО [АНОН),(ОНз)„[ + ОН- = [А!(ОН)з(ОНз).,[о+ Н,о Одновременно происходит полимвризация с образованием многоядерных комплексов и в конечном итого — выпадение осадка переменного состава А1зОз ннзО: <унз Н ОН, Н О [ О ! НО ОН ~ / Н ллЛНЭ ![У о/'/'< о НО ОН НО ОН ~/ ~/ При стоянии осадок постепенно (с выделением воды) переходит в кристаллический А1(ОН)з и теряет свою активность — остаргвг".
Кристаллический А!(ОН)з получают при пропускапии СОз в щелочной раствор злюмината: 9!а[А!(ОН)з[ + СОг = А!(ОН)з+ 9!аНСОз При прокаливании А1зОз аНзО постепенно теряет воду, превращаясь в оксогидроксосоединвние АГООН (бвмит) и в конечном счете в А)зОз. Механизм дегидратации достаточно сложен, и получаемые промежуточ- 493 ные продукты в зависимости от исходного вещества и условий обезвоживания имеют различные свойства.
Некоторые из них химически активны (преобладание ОН-мостиков) и легко растворяются в кислотах и щелочах, другие - химически неактивны (ОН-группы замещены на атомы 0) и взаимодействукгг лишь при сплавлении со щелочами. Одна из форм дегидратированного гидроксида — алюжозсль используется в технике, как и силикагель, в качестве адс.орбента. Гидрок< ид алюминия — типичное амфотерное соединение; свежеполученный продукт легко растворяется и в кислотах, и в щелочах.
При этом разрушается высокомолекулярный гидроксид. В зависимости от среды образуются комплексные либо катионы, либо анионы: [А)(он ) ]з ~ А1(ОН) [А!(ОН) ]з 3 з Из кислых растворов выделяются кристаллогидраты соответствующих солей алюминия. Например, А!С!з 6Нго, А!(ноз)з.9НгО, А! (Б04)з 18нго, МА1(БОч)г 12НгО (квасцы). Соли алюминия и кислородсодержащих кислот растворимы в воде.
Нерастворим А! Р04, имеющий координационную структуру типа %0 . В растворах соли алюминия гидролизуются. Начальные стадии гидролиза можно описать уравнениями (см. табл. 24) [А)(он ) ]з+ + Н О [А1(ОН)(ОНг)з]г' + ОН', К = 1 12'10 [А)(он)(онг)з]г' -1- Нго [А!(ОН)г(онг)з]' + ОНз ОНг Н ОН„ Нго~ [ го ч [ ~онг А) А! НО ~[ ~О ~[ ~ОНг он н он 2[А!(ОН )зОН]г' + 2Нго Вследствие гидролиза сульфид, карбонат, цианид и некоторые другие соли алюминия из водных растворов получить не удается. Из солей алюминия широкое применение имоют его сульфат и квасцы, используемые в бумажной промышленности для проклейки бумаги писчих сортов, в кожевенной — для дубления кожи, в текстильной — при крашонии тканей и т.д. При кристаллизации из щелочных растворов некоторые алюминаты сохраняют состав гидроксосоединений (например, Саз[А!(ОН)з]г, а другие подвергаются частичной дегидратации, образуя, например Кг[А!го(ОН)а]; 494 ! НО, ОН НΠ— А!-0 А! ОН НО~ ~ОН Сплавляя А!ГОН или ( )з ли А1гОз со щелочами, получают высокомолекулярные метаоксоалюминаты.
Их состав весьма разнооб а р зен, о чем свидетсчьствует, например, рис. 192. В воде оксоалюминаты щелочных металлов легко гидроли- зуются, вплоть до выделения А1(ОН)з. Как и в оксида алюминия, структурный единицей метаоксоалюминатов является октаэ А!О., др ь, К мегаалюминатам можно отнести некоторые двойные оксиды, например минерал шаинслз М9А!гОз и аналогичные ему по составу и «г +г стрУктуре алюминаты типа МА!гОч или М(А10г)г (М = Ве, 7п, ре, Мп). Смз шанные оксиды в виде минералов шпинели М9А1гОч и хризоберилла ВеА!гОч являются полудрагоценными камнями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
