Алюміній володіє властивостями, які застосовуються в багатьох галузях: військовій справі, будівництві, харчуванні, транспорті та ін. Він пластичний, легкий і широко поширений в природі. Багато людей навіть не підозрюють того, як широко можна використовувати алюміній.
Багато сайтів і книги описують цей чудовий метал і його властивості. Інформація знаходиться у вільному доступі.
У лабораторії можна проводити будь-які сполуки алюмінію, але в малих кількостях і за високими цінами.
Історія видобутку елемента
Аж до середини хіх століття ні про алюмінії, ні про відновлення його оксиду мови не йшло. Перша спроба отримання алюмінію була зроблена хіміком Г. К. Эрстедом і закінчилася успішно. Щоб відновити метал з його оксиду, він використовував амальгамированный калій. Але ніхто не зрозумів, що вийшло в результаті.
Минуло кілька років, і алюміній знову був отриманий хіміком Велером, який нагрів безводний хлорид алюмінію з калієм. Вчений наполегливо працював 20 років і, нарешті, зумів створити гранульований метал. За кольором він нагадував срібло, але було легше нього в кілька разів. Тривалий час до початку двадцятого століття алюміній цінувався більше золота і виставлявся в музеї як експонат.
Десь на початку XIX століття англійський хімік Деві провів електроліз оксиду алюмінію і отримав метал, названий “алюмиум” або “алюминум”, що можна перекласти як “галун”.
Алюміній дуже важко відокремити від інших речовин – це одна з причин його дорожнечу в той час. Вчене зібрання і промисловці швидко дізналися про приголомшливих властивості нового металу і продовжили спроби його видобутку.
У великих кількостях алюміній почали отримувати вже в кінці того ж дев’ятнадцятого століття. Вчений Ч. М. Холом запропонував розчиняти оксид алюмінію в розплаві кріоліту і пропускати цю суміш через електричний струм. Через якийсь час в посудині з’являвся чистий алюміній. У промисловості і зараз виробляють метал цим методом, але про це пізніше
Для виробництв потрібна міцність, якої, як з’ясувалося трохи пізніше, в алюмінію не було. Тоді метал почали сплавляти з іншими елементами: магнієм, кремнієм і т. д. Сплави були набагато міцніше звичайного алюмінію – саме з них стали виплавляти літаки і військову техніку. А придумали злити алюміній і інші метали в єдине ціле в Німеччині. Там же, в Дюрене, сплав, названий дюралюминием, поставили на виробництво.
Як з оксиду алюмінію отримати алюміній
В рамках шкільної програми з хімії проходять тему “Як з оксиду металу отримати чистий метал”.
До цього методу ми можемо віднести і наше питання, як з оксиду алюмінію отримати алюміній.
Щоб утворити метал з його оксиду, потрібно додати відновник – водень. Піде реакція заміщення з утворенням води і металу: МеО + Н2 = Мо + Н2О (де Ме – метал, а Н2 – водень).
Приклад з алюмінієм: Al2О3 + 3Н2 = 2Al + 3Н2О
На практиці такий прийом дозволяє одержувати чисті активні метали, які не відновлюються оксидом вуглецю. Метод підходить для очищення невеликої кількості алюмінію і досить-таки дорого коштує.
Як отримати алюміній оксиду алюмінію через додавання більш електронегативного металу
Щоб отримати алюміній цим способом, потрібно підібрати більш електронегативний метал і додати його до оксиду – він витіснить наш елемент з кисневого з’єднання. Більш електронегативний метал – це той, що стоїть лівіше в електрохімічному ряду (на фото до подзаголовку – вище).
Приклади: 3Mg + Al2О3 = 2Al + 3MgO
6К + Al2О3 = 2Al + 3К2О
6Li + Al2О3 = 2Al + 3Li2О
Але як отримати алюміній оксиду алюмінію в умовах широкої промисловості?
Промисловий спосіб
Більшість виробництв для видобутку елемента використовують руди, які називають бокситами. Спочатку з них виділяють оксид, потім розчиняють його в розплаві кріоліту, а потім отримують чистий алюміній шляхом електрохімічної реакції.
Це обходиться дешевше всього і не вимагає додаткових операцій.
Крім того, можна отримати хлорид алюмінію з оксиду алюмінію. Як це зробити?
Одержання хлориду алюмінію
Хлоридом алюмінію називають середню (нормальну) сіль із соляної кислоти і алюмінію. Формула: AlCl3.
Для отримання потрібно додати кислоту.
Рівняння реакції виглядає наступним чином – Al2О3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3Н2О.
Як отримати хлорид алюмінію з оксиду алюмінію, не додаючи кислот?
Для цього треба прожарити спресовану суміш оксиду алюмінію і вуглецю (сажа) в струмі хлору при 600-800 гр. Хлорид має отогнаться.
Цю сіль застосовують в якості каталізатора багатьох реакцій. Її головна роль – утворення продуктів приєднання з різними речовинами. Хлоридом алюмінію протруюють шерсть, і його додають в антиперспіранти. Також з’єднання грає не останню роль у переробці нафти.
Отримання гідроксоалюмінат натрію
Як з оксиду алюмінію отримати гидроксоалюминат натрію?
Щоб отримати це складна речовина, можна продовжити ланцюжок перетворень і спочатку отримати з оксиду хлорид, а потім додати гідроксид натрію.
Хлорид алюмінію – AlCl3, гідроксид натрію NaOH.
Al2O3 → AlCl3 → Na[Al(OH)4]
Al2О3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3Н2О
AlCl3 + 4NaOH (концентрований) = Na[Al(OH)4] + 3NaCl5
Але як з оксиду алюмінію отримати тетрагидроксоалюминат натрію, уникаючи перетворення в хлорид?
Щоб з оксиду алюмінію отримати алюмінат натрію, потрібно створити гідроксид алюмінію і додати до нього луг.
Слід нагадати, що луг – це основа, розчиняється у воді. Сюди відносять гідроксиди лужних і лужноземельних металів (I і II група таблиці Менделєєва).
Al→ Al(ОН)3 → Na[Al(OH)4]
З оксидів металів середньої активності, до яких відноситься алюміній, можна отримувати гідроксиди. Тому спочатку ми відновимо чистий метал, наприклад, через водень:
Al2О3 + 3Н2 = 2Al + 3Н2О.
А потім отримаємо гідроксид.
Щоб одержати гідроксид, треба розчинити алюміній в кислоті (для прикладу, у фтороводородной): 2Al + 6HF = 2AlF3 + 3Н2. А потім прогидролизовать отриману сіль з додаванням рівної кількості лугу в розбавленому розчині: AlF3 +3NaOH = Al(ОН)3 + 3NaF.
І далі: Al(ОН)3 + NaOH = Na[Al(ОН)4]
(Al(ОН)3 – амфотерное з’єднання, яке може взаємодіяти і з кислотами, і з лугами).
Тетрагидроксоалюминат натрію відмінно розчиняється у воді, а ще ця речовина широко застосовують в оформленні і додають в бетон, щоб прискорити твердіння.
Про метаалюминаты
Початківці виробники глинозему, напевно, задавалися питанням: “Як з оксиду алюмінію отримати метаалюминат натрію?”
Алюмінати використовуються в широкому виробництві для прискорення деяких реакцій, фарбування тканин та отримання глинозему.
Ліричний відступ: глинозем – це, по суті, і є оксид алюмінію Al2О3.
Зазвичай оксид добувають з метаалюминатов, але тут буде розглянуто “зворотний” спосіб.
Отже, щоб отримати наш алюмінат, потрібно просто змішати оксид натрію з оксидом алюмінію при дуже високій температурі.
Трапиться реакція з’єднання – Al2О3 + Na2О = 2NaAlO2
Для нормального протікання потрібна температура в 1200°C.
Можна простежити за зміною енергії Гіббса в реакції:
Na2O(к.)+ Al2O3(к.)= 2NaAlO2(к.), ΔG0298= -175 кДж.
Ще один ліричний відступ:
Енергія Гіббса (або “вільна енергія Гіббса”) – це залежність, яка існує між ентальпією (енергією, доступною для перетворень) і ентропією (заходом “хаосу, безладу в системі). Абсолютне значення виміряти неможливо, тому вимірюються зміни під час протікання процесу. Формула: G (енергія Гіббса) = Н (зміна ентальпії між продуктами і вихідними речовинами реакції) – Т (температура) * S (зміна ентропії між продуктами та джерела). Вимірюється в Джоулях.
Як з оксиду алюмінію отримати алюмінат?
Для цього підійде і той спосіб, який був розглянутий вище – з глиноземом і натрієм.
Оксид алюмінію, змішаний з оксидом іншого металу при високих температурах, і дає метаалюминат.
Але ще можна сплавити гідроксид алюмінію з лугом у присутності оксиду вуглецю СО:
Al(ОН)3 + NaOH = NaAlO2 + 2Н2О.
Приклади:
- Al2О3 + 2КОН = 2KAlO2 + Н2О (тут глинозем розчиняється в їдкого лугу калію) – алюмінат калію;
- Al2О3 + Li2О = 2LiAlO2 – алюмінат літію;
- Al2О3 + СаО = СаО × Al2О3 – сплавлення оксиду кальцію з окисом алюмінію.
Отримання сульфату алюмінію
Як отримати сульфат алюмінію з оксиду алюмінію?
Спосіб включений в шкільну програму восьмих і дев’ятих класів.
Сульфат алюмінію – це сіль виду Al2(SO4)3. Представлена може бути у вигляді пластинок або порошку.
Ця речовина може розкладатися на оксиди алюмінію і сірки при температурі від 580 градусів. Сульфат використовується для очищення води від найдрібніших частинок, дуже корисний у харчовій, паперовій, текстильній та інших галузях виробництва. Він широко доступний завдяки своїй низькій ціні. Очищення води відбувається із-за деяких особливостей сульфату.
Справа в тому, що забруднюючі частинки мають навколо себе подвійний електричний шар, а розглянутий реагент є коагулянтом, який, при проникненні в електричне поле частинок, викликає стиснення шарів і нейтралізує заряд частинок.
Тепер про самому методі. Щоб отримати сульфат, потрібно змішати оксид і сірчану (не сірчистий) кислоту.
Виходить реакція взаємодії глинозему з кислотою:
Al2O3+3H2SO4=Al2(SO4)3+H2O
Замість оксиду можна додати сам алюміній або його гідроксид.
У промисловості для одержання сульфату використовують вже відому з третьої частини цієї статті руду – боксит. Її обробляють сірчаною кислотою і отримують “забруднений” сульфат алюмінію. У боксите міститься гідроксид, а реакція у спрощеному вигляді виглядає так:
3H2SO4 + 2Al(OH)3 = Al2(SO4)3 + 6H2O
Боксити
Боксит – це руда, що складається відразу з кількох мінералів: заліза, беміту, гіббсіта і діаспора. Є головним джерелом видобутку алюмінію, утворюється шляхом вивітрювання. Найбільші родовища бокситів знаходяться в Росії (на Уралі), США, Венесуелі (річка Оріноко, штат Болівар), Австралії, Гвінеї та Казахстані. Ці руди бувають моногидратными, тригидратными і змішаними.
Одержання оксиду алюмінію
Про глинозем вище сказано багато, але досі не описано, як отримати оксид алюмінію. Формула – Al2О3.
А потрібно всього-навсього спалити алюміній в кисні. Горіння – це процес взаємодії О2 і іншої речовини.
Найпростіше рівняння реакції виглядає наступним чином:
4Al + 3О2 = 2Al2О3
Оксид не розчиняється у воді, але добре розчинний в кріоліті при високій температурі.
Свої хімічні властивості оксид проявляє при температурі від 1000°С. Саме тоді він починає взаємодіяти з кислотами і лугами.
У природних умовах корунд є єдиний стійкій варіацією речовини. Корунд дуже твердий, з щільністю приблизно 4000 г/м3. Твердість цього мінералу по шкалі Мооса – 9.
Оксид алюмінію – амфотерний оксид. Легко перетворюється на гідроксид (див. вище), а перетворившись, зберігає всі властивості своєї групи з переважанням основних.
Амфотерні оксиди – це оксиди, які можуть виявляти основні властивості оксидів металів), так і кислотні (оксидів неметалів) властивості залежно від умов.
До амфотерным оксидам, виключаючи оксид алюмінію, належать: оксид цинку (ZnO), оксид берилію (ВеО), оксид свинцю (PbO), оксид олова (SnO), оксид хрому (Сг2О3), оксид заліза (Fe2О3) і оксид ванадію (V2О5).
Солі: комплексні і не дуже
Бувають середні (нормальні), кислі, основні та комплексні.
Середні солі складаються з самого металу і кислотного залишку і мають вигляд AlCl3 (хлорид алюмінію), Na2SO4 (сульфат натрію), Al(NO3)3 (нітрат алюмінію) або MgPO4.
Кислі солі – це солі з металу, водню і кислотного залишку. Їх приклади: NaHSO4, CaHPO4.
Основні солі так само, як і кислі, складаються з кислотного залишку і металу, але замість Н там ВІН. Приклади: (FeOH)2SO4, Ca(OH)Cl.
І, нарешті, комплексні солі – це речовини з іонів різних металів і кислотного залишку многоосновной кислоти (солі, що містять складний іон): Na3[Co(NO2)6], Zn[(UO2)3(CH3COO)8].
Мова піде про те, як з оксиду алюмінію отримати комплексну сіль.
Умовою перетворення оксиду в це речовина є його амфотерність. Глинозем відмінно підходить для методу. Щоб отримати комплексну сіль з оксиду алюмінію, потрібно змішати цей оксид з розчином лугу:
2NaOH + Al2O3 + H2O → Na 2[Al(ОН)4]
Цей рід речовин також утворюється при дії розчинів лугів на амфотерні гідроксиди.
Розчин гідроксиду калію взаємодіє з підставою цинку з отриманням тетрагидроксоцинката калію:
2KOH + Zn(OH)2 → K2[Zn(OH)4]
Розчин лугу натрію реагує, наприклад, з гідроксидом берилия з утворенням тетрагидроксобериллата натрію:
NaOH + Be(OH)2 → Na2[Be(OH)4]
Використання солей
Комплексні солі алюмінію часто використовують у фармацевтиці, виробництві вітамінів і біологічно активних речовин. Препарати, створені на основі цих речовин, допомагають у боротьбі з похміллям, покращують стан шлунка і загальне самопочуття організму людини. Дуже корисні сполуки, як можна помітити.
Реактиви дешевше купувати в інтернет-магазинах. Там великий вибір речовин, але сайти краще вибирати надійні та перевірені часом. Якщо купувати щось на «одноденки», то ризик втратити гроші збільшується.
При роботі з хімічними елементами потрібно дотримуватися правил безпеки: обов’язково наявність рукавичок, захисного скла, спеціалізованої посуду і приладів.
Епілог
Хімія – безсумнівно, складна для розуміння наука, але іноді корисно в ній розібратися. Найпростіше це зробити через цікаві статті, простий склад і зрозумілі приклади. Не зайвим буде прочитати пару книжок по темі і освіжити в пам’яті курс шкільної програми з хімії.
Тут було розібрано більшість тем хімії, пов’язаних з перетвореннями алюмінію і його оксидів, у тому числі, як з оксиду алюмінію отримати тетрагидроксоалюминат, і ще безліч цікавих фактів. Виявилося, що в алюмінію є багато самих незвичайних сфер застосування в виробництві і в побуті, так і історія отримання металу вельми незвичайна. Хімічні формули сполук алюмінію теж заслуговують уваги і детального розбору, що і було освячено в цій статті.
