Амфотерность гидрокси алюминия

Содержание

• Общая характеристика элемента
• Характеристика простого вещества
• Получение алюминия
• Применение алюминия
• Важнейшие соединения алюминия
• Окись алюминия
• Гидроокись алюминия
• Галиды алюминия
• Сульфат алюминия
• Ацетат алюминия
• Нитрат алюминия
• Список литературы

Общая характеристика элемента

Алюминий в периодической системе Д. И. Менделеева находится в третьей группе. Атом алюминия (1s22s22p63s23p1) больше по размеру, чем атом бора, и обладает меньшей энергией ионизации. Следовательно, неметаллические признаки химического элемента алюминия выражены в меньшей степени, чем химического элемента бора. Для алюминия, как и для бора, наиболее характерна степень окисления +3. Отрицательная степень окисления алюминия проявляется еще реже. Для алюминия (III) наиболее характерны координационные числа 6 и 4:

Координационное число Al (III) Пространственное расположение лигандов Примеры соединений

4 Тетраэдрическое AlCl4-, AlH4-, алюмосиликаты

6 Октаэдрическое Al2O3, AlF63*, AlF3, [Al (OH2)6]3+, [Al (OH)4(OH2)2];

Алюминий типичный амфотерный элемент. В отличие от бора для него характерны не только анионные, но и катионные комплексы. Так, в зависимости от рН водного раствора существуют катионный аквакомплекс [Al (OH2)6]3+ и анионный гидроксокомплекс [Al (OH)6]3-.

По распространенности в природе алюминий занимает четвертое место (после кислорода, водорода и кремния), причем на его долю приходится около 5,5% общего числа атомов земной коры. В своей геохимической истории алюминий тесно связан с кислородом и кремнием. Способность алюминия давать анионные комплексы определяет нахождение алюминия в виде алюмосиликатов. В алюмосиликатах сосредоточена основная масса алюминия земной коры. Чрезвычайно распространенным продуктом разрушения образованных этими минералами горных пород является глина, основной состав которой (соответствующий каолину) отвечает формуле Al2O3*2SiO2*2H2O. Из природных форм нахождения алюминия наибольшее технологическое значение имеет боксит (Al2O3*xH2O) и криолит (AlF3*3NaF).

Характеристика простого вещества

Алюминий легкий металл, плотност которого при 20 0С составляет 2,7 г/см3, температура плавления 659 0С, температура кипения около 2500 0С. Алюминий кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Он обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью. В окислительной среде, в частности, на воздухе, на алюминии образуется плотная окисная пленка, придающая ему коррозионную стойкость. Алюминий стоек против азотной и органических кислот.

На воздухе алюминий покрывается тончайшей, но очень плотной пленкой окисла, предохраняющей металл от дальнейшего окисления. В связи с этим поверхность его обычно имеет не блестящий, а матовый вид. При накаливании мелко раздробленного алюминия он энергично сгорает на воздухе. Аналогично протекает и взаимодействие его с серой. С хлором и бромом соединение происходит уже при обычной температуре, с йодом при нагревании. При очень высоких температурах алюминий непосредственно соединяется также с азотом и углеродом. Напротив, с водородом он не взаимодействует.

По отношению к воде алюминий практически вполне устойчив. Однако если механическим путем или амальгамированием снять предохраняющее действие оксидной пленки, то алюминий энергично взаимодействует в водой:

2Al + 6H2O => 2Al (OH)3 + 3H2

Сильно разбавленные, а также очень крепкие растворы азотной и серной кислоты на алюминий почти не действуют (устойчивость алюминия позволяет использовать его для изготовления емкостей для хранения и транспортировки азотной кислоты), однако в растворах этих кислот средней концентрации алюминий растворяется. Будучи амфотерным, алюминий растворяется в растворах кислот и щелочей, образуя соответственно катионные и анионные комплексы:

2Al + 6OH3+ + 6H2O => 3H2 + 2[Al (OH2)6]3+

2Al + 6H2O + 6OH- => 3H2 + 2[Al (OH)6]3;

Как в том, так и в другом случае окисление алюминия сопровождается выделением водорода.

Довольно энергично разъедается он также раствором NH4OH. В ряду напряжений алюминий располагается между Mg и Zn. Во всех своих устойчивых соединениях он трехвалентен.

Соединение алюминия с кислородом сопровождается громадным выделением тепла, значительно большим, чем в случае многих других металлов. Ввиду этого при накаливании смеси окисла такого металла с порошком алюминия происходит бурная реакция, ведущая к выделению из взятого окисла свободного металла. Метод восстановления при помощи алюминия (алюминотермия) часто применяется для получения некоторых элементов (хром, марганец, ванадий и др.) в свободном состоянии.

О высокой химической (восстановительной) активности алюминия свидетельствуют также значения его стандартного электродного потенциала в кислой и щелочной среде:

Al3+ + 3e- => Al, 0 = -1,66В

AlO2- + 2H2O + 3e- => Al + 4OH-, 0 = -2,35 В

2Al + 6H2O => 2Al (OH)3 + 3H2

Получение алюминия

Элементарный алюминий получают электролизом раствора Al2O3 (глинозема) в расплавленном криолите. Сырьем для производства алюминия служит глинозем (Al2O3), который получают из различного минерального сырья: бокситов, нефелина, алунита и др. Основным сырьем служат бокситы, содержащие Al (OH)3 или AlOOH, в смеси с окислами железа, кремнеземом и другими примесями. При переработке сырья на глинозем для дальнейшего получения из него алюминия требуется обеспечить производство глинозема высокой степени чистоты, так как примеси могут привести к резким нарушениям процесса электролиза. Производство глинозема весьма сложно. В нем сочетаются химические превращения с рядом физических процессов: тонким измельчением сырья, нагреванием и охлаждением, отстаиванием осадков, фильтрацией и др. В общем, сущность производства глинозема из бокситов заключается в отделении гидроокиси алюминия от других минералов.

Гидроокись алюминия при взаимодействии с содой (спекание) или едким натром (выщелачивание) переводится в алюминат натрия NaAlO2, который растворяется в воде и, таким образом, отделяется от не растворимых в этих условиях окислов железа. Но кремнезем SiO2 частично также растворяется в виде Na2SiO3. Его осаждают из раствора в виде CaO*Al2O3*2SiO2 или Na2O*Al2O3*2SiO2 (обескремнивание) и отфильтровывают. Из чистого алюминатного раствора осаждают Al (OH)3, для чего применяют различные процессы, например карбонизацию барботаж через алюминатный раствор двуокиси углерода, которая связывает ионы Na+ в виде соды. Отделенную от раствора гидроокись алюминия прокаливают (кальцинация), получая продукт, содержащий до 99% Al2O3. Выход окиси алюминия в готовый продукт не превышает 60%.

Производство алюминия осуществляется из глинозема, растворенного в криолите Na3AlF6. Криолит как растворитель глинозема удобен потому, что он достаточно хорошо растворяет Al2O3, не содержит более положительных, чем алюминий, ионов, достаточно электропроводен, но в то же время обеспечивает выделение тепла, необходимого для плавления электролита, образует с глиноземом сплавы, температура плавления который много ниже температуры плавления чистого глинозема (2050 0С). Практически электролиз ведут при содержании в электролите около 10% Al2O3 при 950−1000 0С.

Электролиз Al2O3 можно представить следующей условной схемой. В растворе Al2O3 диссоциирует на ионы

Al2O3 => Al3+ + AlO33;

На катоде разряжаются ионы Al3+:

Al3+ + 33- => Al

На аноде происходит процесс

4AlO33- - 12e- => 2Al2O3 + 3O2

Таким образом, процесс электролиза сводится к выделению на катоде расплавленного алюминия и сгоранию угольного анода за счет выделившегося на нем кислорода.