Алюмінати та гідроксоалюмінати. Отримання. 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Алюмінати та гідроксоалюмінати. Отримання.



М О Д У Л Ь 2

Алюміній. Отримання, хімічні властивості та застосування.

Есть в первом вопросе

Алюмотермія.

Алюмотермія- це спосіб отримання металі, неметалів востановленням їх оксидів металічним алюмінієм. 2Аl + Сr2О3 = Аl2О3 + 2Сr. Процес супроводжується підвищенням(виділенням) температури до 2400 С. Окрім цього це спосіб отримання чистих металів

 

Виробництво портландцементу. Сировина. Мінералогічний склад цементного клінкеру.

Портландцемент - це гідравлічна в’яжуча речовина основа якої складається з силікату кальцію. При виготовленні використовують карбонатні породи, що містять СaCO3 та гіпс співвідносять як 3:1. Доцільно використовують відходи промислового виробництва такі я к: шлам, шлаки. Отримання портландцементу 1) йде зона випалу 2) зона підігріву 3) зона декарбонізації 40 зона екзотермічних реакцій 5) зона спікання 6) зона охолодження. Мінералогічний склад цементу: складається з аліту, беліту та целіту, крім цього у клінкера може міститися незначна кількість алюмінатів та алюмоферитфв кальцію іншого складу а також оксидів магнію MgO.

Аліт - 3CaOSiO2- це найбільш важливий метеріал цементу він зумовлений швидко тужавіти, якість визначається вмісто у ньому аліту.

Беліт - 2CaOSiO2- менш активно взаємодіє з водою, тужавіє повільно але продукт міцний Беліт являє собою твердий розчин (бета)-форма

Циліт - 4СaOAl2O3Fe2O3- займає проміжне місце. Являє собою твердий розчин алюмоферитів кальці.

 

Вуглекислотна корозія бетону. Методи її усунення та запобігання.

Углекислая коррозия развивается при действии на цементный камень и бетон воды, содержащей углекислый газ СО2. При этом вначале идет реакция между Са(ОН)2 цемента и углекислотой с образованием малорастворимого СаС03 по схеме: Са(ОН)2 + С02+Н20 = = СаСОз + 2Н20. Дальнейшее воздействие H2CQ3 на цемент приводит, однако, к образованию более растворимого гидрокарбоната: СаС03 + Н2С03=Са(НС03)2.

В этой обратимой реакции следует различать углекислоту, связанную в гидрокарбонате Са(НС03)2. Для предотвращения его разложения и обратного перехода в СаСОз необходимо присутствие в растворе определенного количества так называемой «равновесной» неагрессивной углекислоты. Появление же в растворе «сверхравновесного» количества углекислоты вызывает растворение новых порций СаСОз и образование Ca(HCQ3). Эта избыточная углекислота называется агрессивной. Углекислая коррозия воздействует на бетон тем слабее, чем больше в водном растворе гидрокарбонатов кальция и магния.

Трикальцієвий силікат

Двокальцієвий силікат

. Оскільки при тепло вологій обробці процес взаємодії двокальцієвого силікату з водою різко підвищується тому тужавіння високобелітових центів ефективніше проходить в автоклавах.

Трикільцієвий алюмінат.

. Ця реакція відбувається занадто швидко і тому надмірно швидка взаємодія трикальцієвого алюмінату з водою призводить до раннього структуроутворення в цементному тісті, через що неможливо перемішування, укладання й ущільнення бетонної суміші. Для того зоб цього позбавитися до клінкеру додають гіпс, який реагує з трикальцієвим алюмінатом и утворює малорозчинний гідросульфоралюмінат кальцію або етрингіт.

Тільки після витрати усього гіпсу стане виділятися чистий гідро алюмінат кальцію й цемент почне схоплюватися.

Чотирицальцієвий алюмоферит

Глиноземистий цемент

Основний мінерал глиноземистого цементу – це моноалюмінат кальцію CaO*Al2O3. При взаємодії з водою утворюється гідраалюмінат кальцію 2CaO*Al2O3*8H2O та гідроксид алюмінію.

Можна виділити дві стадії процесу.Спочатку при взаємодіїCaO*Al2O3 з водою утворюється гідро алюмінат кальцію складу СaO*Al2O3*10H2O.

. А потім з нього виділяється 2CaO*Al2O3*8H2O і Al(OH)3

Використання гіпсу

Гипс используют для изготовления вяжущих материалов, внутренних отделочных работ, гипсования почвы, в медицине. Его применяют также для снятия масок, моделирования скульптуры, создания рельефных украшений (лепнины) в помещениях. С древности популярен гипс как поделочный камень. Из него вырезают ажурные вазочки, фигурки, пепельницы и другие декоративные предметы.

Процесс твердения наступает после затворения вяжущих веществ водой, когда они образуют пластичную массу, превращающуюся с течением времени в твердое камневидное тело, обладающее известной механической прочностью. Вначале пластичная масса начинает уплотняться и густеть; это состояние соответствует началу схватывания; затем по мере дальнейшего уплотнения наблюдаются окончательная потеря пластичности и постепенное превращение вещества в твердое тело, не обладающее, однако, заметной прочностью. Этот момент соответствует концу схватывания.

После окончания схватывания протекают дальнейшие химические и физические преобразования, сопровождающиеся продолжающимся уплотнением и нарастанием механической прочности, характеризующими собой процесс твердения вяжущих веществ. Схватывание является начальной стадией этого процесса; оно характеризуется превращением пластичной массы затворенного водой вяжущего вещества в твердое тело.

Процесс твердения строительного гипса по теории А. А. Байкова заключается в следующем: при затворе-нии строительного гипса водой он растворяется в ней до тех пор, пока не получится насыщенный раствор. Как в растворе, так и в нерастворенном виде под действием окружающей его воды полуводный гипс гидратируется с образованием двуводного гипса.

Та часть гипса, которая прогидратировалась в растворе, выпадает из него в виде кристаллов, так как раствор, насыщенный по отношению к полуводному гипсу, оказывается пересыщенным по отношению к двуводному (растворимость полуводного гипса составляет 7 г на 1 л воды, считая на CaSO4, а двуводного - 2 г на 1 л воды). При этом вследствие обеднения раствора сернокислым кальцием в нем могут растворяться новые порции полуводного гипса, которые в свою очередь также гидратируются и выделяются из раствора.

Однако, как указывает А. А. Байков, большая часть полугидрата подвергается гидратации не в растворе, а при непосредственном взаимодействии с водой, причем образующийся при этом двуводный гипс не может переходить в раствор, поскольку последний является по отношению к нему пересыщенным. Поэтому двуводный гипс образуется в виде коллоидальной гелеобразной массы, придающей затворенному водой строительному гипсу необходимую пластичность. Коллоидальная масса двуводного гипса переходит с течением времени в кристаллическую форму, что сопровождается потерей пластичности.

Таким образом, процесс твердения строительного гипса по А. А. Байкову можно разделить на три периода:

1. период растворения и образования насыщенного раствора;

2. период образования коллоидальной массы в виде студня;

3. период кристаллизации с превращением студня в кристаллический сросток.

Эти периоды не протекают последовательно один за другим, а налагаются друг на друга, так что при не закончившемся по всей массе материала процессе коллоидообразования в определенных частях твердеющей массы могут уже идти процессы кристаллизации.

Как указывалось выше, для превращения полуводного гипса в двуводный теоретически необходимо значительно меньше воды, чем то, которое приходится брать на практике (исходя из необходимости получения теста нормальной густоты, обусловливающей требуемую удобообрабатываемость массы). После окончания процесса гидратации (на что требуется примерно 20-25 мин) избыточная вода отделяет частицы двуводного гипса одну от другой и замедляет нарастание прочности, которое протекает в дальнейшем уже в результате высыхания твердеющего гипса. При испарении воды растворенный в ней гипс образует кристаллы двуводного гипса, которые сращиваются. Для ускорения этого процесса твердеющий гипс сушат при температуре не выше 60-70ºС (во избежание обратного процесса - дегидратации двуводного гипса), причем сушка оказывается в данном случае полезной из-за большой скорости гидратации строительного гипса, после окончания которой вода больше не нужна. Для гидравлических вяжущих веществ, например для портландцемента, сушка изготовленных из них изделий недопустима, так как гидратация их протекает весьма медленно, и преждевременное удаление воды приостановит нарастание их прочности.

Строительный гипс отличается быстрым твердением, что является весьма положительным его свойством, используемым при заводском изготовлении гипсовых изделий.

Получение

Синтетический диоксид кремния получают нагреванием кремния до температуры 400—500 °C в атмосфере кислорода, при этом кремний окисляется до диоксида SiO2. А также термическим оксидированием при больших температурах.

В лабораторных условиях синтетический диоксид кремния может быть получен действием кислот на силикатные соли. Например:

Na2SiO3 + 2CH3COOH → 2CH3COONa+H2SiO3,

кремниевая кислота сразу разлагается на воду и SiO2, выпадающий в осадок.

Натуральный диоксид кремния в виде песка используется там, где не требуется высокая чистота материала.

Воздушная известь.

Воздушная известь получается путем обжига (900-1000°С) известняка,

мела, отходов ракушечника и других природных материалов, содержащих

карбонат кальция CaCO3. Главной составной частью обоженного материала

является окись кальция CaO. Продукт обжига называется негашеной известью

(кипелкой). Процесс гашения извести заключается в присоединении к окиси

кальция воды по схеме:

CaO + H2O = Ca(OH)2 - 65 кДж.

Реакция сопровождается значительным выделением тепла и увеличением

объема. Полученный продукт называется гашеной известью, или пушонкой.

Смесь гашеной извести с песком и водой называется известковым раствором.

Затвердевание извести происходит под воздействием диоксида углерода из

воздуха, в результате образуется карбонат кальция:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O.

Процесс затвердевания протекает очень медленно. При затвердевании

известкового раствора также протекает реакция:

Ca(OH)2 + SiO2 = CaSiO3 + H2O.

Магнезиальный цемент.

При прокаливании природного магнезита MgCO3 в температурном

интервале 750-800°С образуется каустический магнезит MgO:

Mg CO3 = MgO + CO2.

Последний при измельчении в тонкий порошок и затворении растворами

солей хлорида магния MgCl2 или сульфата магния MgSO4 затвердевает в

прочное тело, называемое магнезиальным цементом (цементом Сореля).

Затвердевание можно объяснить тем, что основная соль, первоначально

образующаяся согласно уравнению:

MgO + MgCl2 + H2O = 2 MgOHCl,

затем полимеризуется в цепи типа – Mg – O – Mg – O – Mg –, на концах

которых находятся атомы хлора или гидроксильные группы.

 

Твердіння

Портландцемент- у портландцементу є такі мінерали як трикальцієвий силікат, двокальцієвий силікат, чотирикальцієвий алюмоферит та трикальцієвий алюмінат.

Трикальцієвий силікат

Двокальцієвий силікат

. Оскільки при тепло вологій обробці процес взаємодії двокальцієвого силікату з водою різко підвищується тому тужавіння високобелітових центів ефективніше проходить в автоклавах.

Трикільцієвий алюмінат.

. Ця реакція відбувається занадто швидко і тому надмірно швидка взаємодія трикальцієвого алюмінату з водою призводить до раннього структуроутворення в цементному тісті, через що неможливо перемішування, укладання й ущільнення бетонної суміші. Для того зоб цього позбавитися до клінкеру додають гіпс, який реагує з трикальцієвим алюмінатом и утворює малорозчинний гідросульфоралюмінат кальцію або етрингіт.

Тільки після витрати усього гіпсу стане виділятися чистий гідро алюмінат кальцію й цемент почне схоплюватися.

Чотирицальцієвий алюмоферит

 

 

24. Постійна жорсткість води. Утворення та методи усунення.

Постійна жорсткість води - це некарбонатнка жорсткість обумовлена вона вмістом сульфатів, хлоридів та інших солей кальція Ca(HCO3)2 та магні Mg(HCO3)2. При нагріванні або кипятінні води вони залишаються у розчині. Спосіб боротьбі з жорсткістю

Содовий спосіб

 

Фосфадний спосіб

Пермутитний спосіб

 

 

Соединения железа (II).

Оксид железа (II) не растворяется в воде, поэтому соответствующий гидроксид

получают косвенным путём, например, при взаимодействии соли Мора с раствором

щёлочи:

2NaOH+(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O = Fe(OH)2↓+Na2SO4+(NH4)2SO4 + 6H2O

Гидроксид железа (II) — соединение белого цвета. На воздухе Fe(OH)2 быстро

окисляется, превращаясь сначала в гидратированный оксид состава Fe3O4 x H2O

зелёного цвета, а затем в частично обезвоженный бурый гидроксид Fe(OH)3:

4Fe(OH)2 + O2 + H2O = 4Fe(OH)3

Для получения неокисленного гидроксида Fe(II) нужна тщательная изоляция

реагентов от их воздействия с кислородом воздуха, например, проведение реакции

получения гидроксида Fe(II) под слоем бензола.

Гидроксид железа (II) легко растворяется в кислотах с образованием солей Fe(II) и не

растворяется в растворах щелочей, т. е. проявляет исключительно основные свойства.

Железо (II) образует множество как хорошо растворимых, так и плохо растворимых солей.

Осадок карбоната железа (FeCO3) можно получить в результате обменной реакции:

(NH4)2Fe(SO4)2 + Na2CO3 = FeCO3↓ + Na2SO4 + (NH4)2SO4.

При пропускании через раствор над осадком углекислого газа эта соль растворяется из-за

образования кислой соли:

FeCO3 + H2O + CO2 = Fe(HCO3)2

Сульфид железа (II) можно получить только при достаточно большой концентрации ионов S2- в

растворе. Это достигается действием растворимого сульфида (щелочных металлов или

аммония) на соли, содержащие катионы Fe(II):

FeSO4 + (NH4)2S = FeS↓ + (NH4)2SO4

Сульфиды железа растворяются как в кислотах-окислителях, так и в кислотах-неокислителях:

3FeS + 30HNO3 = 27NO2↑ + 15H2O + Fe2(SO4)3 + Fe(NO3)3;

FeS + 2HCl = FeCl2 + H2S↑

Фосфат железа может быть получен по реакции:

(NH4)2Fe(SO4)2 + 2Na2HPO4 + 2CH3COONa = Fe3(PO4)2↓ + 3Na2SO4 + 3(NH4)2SO4

+CH3COOH

Соединения железа (II) обладают восстановительными свойствами:

2FeCl2 + Cl2 = 2FeCl3

Качественной реакцией на железо (II) является реакция с K3[Fe(CN)6] (красной

кровяной солью). В данной реакции образуется синий малорастворимый осадок –

“турнбулева синь”:

(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O + K3[Fe(CN)6] = KFe[Fe(CN)6]↓ + K2SO4 + (NH4)2SO4 + 6H2O

 

 

28. Сполуки заліза +3. Основні сполуки, їх отримання та хімічні властивості.

Соединения железа (III).

Оксид железа (III) Fe2O3 – красно-коричневое кристаллическое вещество, устойчивое при

атмосферном давлении до 1445oC.

В лаборатории Fe2O3 можно получить высокотемпературным разложением некоторых солей,

например, нитрата Fe(III):

4Fe(NO3)3 = 2Fe2O3 + 12NO2↑ + 3O2↑

У оксида Fe(III) преобладают основные свойства. Он растворяется в кислотах,

образуя соли Fe(III):

Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O

С водными растворами щелочей Fe2O3 не взаимодействует.

Бурый гидроксид Fe(III) можно получить только косвенным путём, например, по

реакциям:

FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3↓ + 3NaCl

Гидроксид Fe(III) обладает амфотерными свойствами с преобладанием основных. Поэтому он

легко растворяется в кислотах:

2Fe(OH)3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 6H2O

и не растворяется в щелочах. Подтверждением наличия у Fe(OH)3 кислотных свойств является

существование гидроксокомплексов, простейшими из которых являются [Fe(OH)4]- и [Fe(OH)6]3-

. Их можно получить, добавляя по каплям раствор соли Fe(III) в избыток концентрированной

щёлочи:

Fe3+ + 4OH- → [Fe(OH)4]-

Железо (III) образует большое количество солей. Многие соли обладают высокой

растворимостью. Растворимые соли железа (III) подвергаются гидролизу, их водные

растворы имеют сильнокислую реакцию среды:

[Fe(H2O)6]3+ + HOH ↔ [Fe(H2O)5OH]2+ + H3O+

В присутствии сильных восстановителей железо (III) проявляет окислительные свойства,

например:

FeCl3 + 2KI = FeCl2 + KCl + I2,

2FeCl3 + H2S = 2FeCl2 + S + 2HCl.

В качественном анализе присутствие железа (III) определяют по реакции образования

роданидного комплекса железа Fe[Fe(SCN)6], имеющего кроваво-красную окраску. Это

соединение рассматривается как автокомплекс роданида железа Fe(SCN)3, который можно

получить, например, по реакциям:

FeCl3 + 3NH4(SCN) = Fe(SCN)3 + 3NH4Cl

2Fe(SCN)3 ↔ Fe[Fe(SCN)6]

29. Сполуки заліза +6. Основні сполуки, їх отримання та хімічні властивості.

Соединения железа (VI).

Степень окисления +6 железо проявляет в ферратах, например, K2FeO4.

Одним из способов получения ферратов (VI) является окисление соединений Fe(II)

или Fe(III) хлором или бромом. Для стабилизации высокой степени окисления железа

нужна щелочная среда:

2FeCl3 + 16KOH + 3Cl2 = 12KCl + 2K2FeO4 + 8H2

Получение кремния.

В промышленности кремний получают восстановлением SiO2 коксом:

SiO2 + 2C = Si + 2CO

Особо чистый кремний - восстановлением SiCl4 водородом:

SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl

или разложением SiH4 при 400-600oС:

SiH4 = Si + 2H2

В лаборатории кремний можно получить, прокаливая смесь SiO2 и магния (или алюминия):

SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO

 

Применение кремния.

Кремний применяют в промышленности:

а)как легирующую добавку в производстве сплавов черных и цветных металлов

б) для получения силиконов - кремнийорганических полимеров

Особо чистый монокристаллический кремний (очищают обычно зонной плавкой) применяется в электронной промышленности как полупроводниковый материал для изготовления микросхем, транзисторов и т.д.

М О Д У Л Ь 2

Алюмінати та гідроксоалюмінати. Отримання.

Алюминий - самый распостраненный в земной коре металл. На его долю приходится 5,5-6,6 мол. доли % или 8 масс. %. Главная масса его сосредоточена в алюмосиликатах. Чрезвычайно распространенным продуктом разрушения образованных ими горных пород является глина, основной состав которой отвечает формуле Al 2 O 3. 2SiO 2. 2H 2 O. Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют боксит Al 2 O 3. xH 2 O и минералы корунд Al 2 O 3 и криолит AlF 3. 3NaF.

Впервые алюминий был получен Велером в 1827 году действием металлического калия на хлорид алюминия. Однако, несмотря на широкую распространенность в природе, алюминий до конца XIX века принадлежал к числу редких металлов.

В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом раствора глинозема Al 2 O 3 в расплавленнном криолите. Al 2 O 3 должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Температура плавления Al 2 O 3 около 2050 о С, а криолита - 1100 о С. Электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и Al 2 O 3, содержащую около 10 масс.% Al 2 O 3, которая плавится при 960 о С и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF 3, CaF 2 и MgF 2 проведение электролиза оказывается возможным при 950 о С.

Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды располагаются сверху: это - алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами.

Al 2 O 3 = Al 3+ + AlO 3 3-

На катоде выделяется жидкий алюминий:

Al 3+ + 3 е - = Al

Алюминий собирается на дне печи, откуда периодически выпускается. На аноде выделяется кислород:

4AlO 3 3- - 12 е - = 2Al 2 O 3 + 3O 2

Кислород окисляет графит до оксидов углерода. По мере сгорания углерода анод наращивают.

В периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в главной подгруппе третьей группы. Заряд ядра +13. Электронное строение атома 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1. Металлический атомный радиус 0,143 нм, ковалентный - 0,126 нм, условный радиус иона Al 3+ - 0,057 нм. Энергия ионизации Al - Al + 5,99 эВ.

Наиболее характерная степень окисления атома алюминия +3.Отрицательная степень окисления проявляется редко. Во внешнем электронном слое атома существуют свободные d -подуровни. Благодаря этому его координационное число в соединениях может равняться не только 4 (AlCl 4-, AlH 4-, алюмосиликаты), но и 6 (Al 2 O 3,[Al(OH 2) 6 ] 3+).

Алюминий - типичный амфотерный элемент. Для него характерны не только анионные, но и катионные комплексы. Так, в кислой среде существует катионный аквакомплекс [Al(OH 2) 6 ] 3+, а в щелочной - анионный гидрокомплекс и [Al(OH) 6 ] 3-.

В виде простого вещества алюминий - серебристо-белый, довольно твердый металл с плотностью 2,7 г/см 3 (т.пл. 660 о С, т. кип. ~2500 о С). Кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Характеризуется высокой тягучестью, теплопроводностью и электропроводностью (составляющей 0,6 электропроводности меди). С этим связано его использование в производстве электрических проводов. При одинаковой электрической проводимости алюминмевый провод весит вдвое меньше медного.

На воздухе алюминий покрывается тончайшей (0,00001 мм), но очень плотной пленкой оксида, предохраняющей металл от дальнейшего окисления и придающей ему матовый вид. При обработке поверхности алюминия сильными окислителями (конц. HNO 3, K 2 Cr 2 O 7) или анодным окислением толщина защитной пленки возрастает. Устойчивость алюминмя позволяет изготавливать из него химическую аппаратуру и емкости для хранения и транспортировки азотной кислоты.

Алюминий легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминиевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевой и фармацевтической промышленности для упаковки продуктов и препаратов.

Основную массу алюминия используют для получения различных сплавов, наряду с хорошими механическими качествами характеризующихся своей легкостью. Важнейшие из них - дуралюминий (94% Al, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si), силумин (85 - 90% Al, 10 - 14% Sk, 0,1% Na) и др. Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды и во многих других отраслях промышленности. По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

Алюминий, кроме того, применяется как легирующая добавка ко многим сплавам для придания им жаростойкости.

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 иодом - 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 вполне устойчив. Но если механическим путем или амальгамированием снять предохраняющее действие оксидной пленки, то происходит энергичная реакция:

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2­

Сильно разбавленные, а также очень концентрированные HNO3 и H2SO4 на алюминий почти не действуют (на холоду), тогда как при средних концентрациях этих кислот он постепенно растворяется. Чистый алюминий довольно устойчив и по отношению к соляной кислоте, но обычный технический металл в ней растворяется.

При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты - соли, содержащие алюминий в составе аниона:

Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na[Al(OH) 4 ]

Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействует с водой, вытесняя из нее водород:

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2­

Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:

Al(OH) 3 + NaOH = Na[Al(OH) 4 ]

Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na[Al(OH) 4 ] + 3H 2­

Алюминий заметно растворяется в растворах солей, имеющих вследствие их гидролиза кислую или щелочную реакцию, например, в растворе Na 2 CO 3.

В ряду напряжений он располагается между Mg и Zn. Во всех своих устойчивых соединениях алюминий трехвалентен.

Соединение алюминия с кислородом сопровождается громадным выделением тепла (1676 кДж/моль Al 2 O 3), значительно большим, чем у многих других металлов. В виду этого при накаливании смеси оксида соответствующего металла с порошком алюминия происходит бурная реакция, ведущая к выделению из взятого оксида свободного металла. Метод восстановления при помощи Al (алюмотермия) часто применяют для получения ряда элементов (Cr, Mn, V, W и др.) в свободном состоянии.

Алюмотермией иногда пользуются для сварки отдельных стальных частей, в часности стыков трамвайных рельсов. Применяемая смесь (“термит”) состоит обычно из тонких порошков алюминия и Fe 3 O 4. Поджигается она при помощи запала из смеси Al и BaO 2. Основная реакция идет по уравнению:

8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe + 3350 кДж

Причем развивается температура около 3000 о С.

Оксид алюминия представляет собой белую, очень тугоплавкую (т. пл. 2050 о С) и нерастворимую в воде массу. Природный Al 2 O 3 (минерал корунд), а также полученный искусственно и затем сильно прокаленный отличается большой твердостью и нерастворимостью в кислотах. В растворимое состояние Al 2 O 3 (т. н. глинозем) можно перевести сплавлением со щелочами.

Обычно загрязненный оксидом железа природный корунд вследствие своей чрезвычайной твердости применяется для изготовления шлифовальных кругов, брусков и т.д. В мелко раздробленном виде он под названием наждака служит для очистки металлических поверхностей и изготовления наждачной бумаги. Для тех же целей часто пользуются Al 2 O 3, получаемым сплавлением боксита (техническое название - алунд).

Прозрачные окрашеннные кристаллы корунда - красный рубин - примесь хрома - и синий сапфир - примесь титана и железа - драгоценные камни. Их получают так же искусственно и используют для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr 2 O 3, применяют в качестве квантовых генераторов - лазеров, создающих направленный пучок монохроматического излучения.

Ввиду нерастворимости Al 2 O 3 в воде отвечающий этому оксиду гидроксид Al(OH) 3 может быть получен лишь косвенным путем из солей. Получение гидроксида можно представить в виде следующей схемы. При действии щелочей ионами OH - постепенно замещаются в аквокомплексах [Al(OH 2) 6 ] 3+ молекулы воды:

[Al(OH 2) 6 ] 3+ + OH - = [Al(OH)(OH 2) 5 ] 2+ + H 2 O

[Al(OH)(OH 2) 5 ] 2+ + OH - = [Al(OH) 2 (OH 2) 4 ] + + H 2 O

[Al(OH) 2 (OH 2) 4 ] + + OH - = [Al(OH) 3 (OH 2) 3 ] 0 + H 2 O

Al(OH) 3 представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета, практически нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в кислотах и сильных щелочах. Он имеет, следовательно, амфотерный характер. Однако и основные и особенно кислотные его свойства выражены довольно слабо. В избытке NH 4 OH гидроксид алюминия нерастворим. Одна из форм дегидратированного гидроксида - алюмогель используется в технике в качестве адсорбента.

При взаимодействии с сильными щелочами образуются соответствующие алюминаты:

NaOH + Al(OH) 3 = Na[Al(OH) 4 ]

Алюминаты наиболее активных одновалентных металлов в воде хорошо растворимы, но ввиду сильного гидролиза растворы их устойчивы лишь при наличии достаточного избытка щелочи. Алюминаты, производящиеся от более слабых оснований, гидролизованы в растворе практически нацело и поэтому могут быть получены только сухим путем (сплавлением Al 2 O 3 с оксидами соответствующих металлов). Образуются метаалюминаты, по своему составу производящиеся от метаалюминиевой кислоты HAlO 2. Большинство из них в воде нерастворимо.

С кислотами Al(OH) 3 образует соли. Производные большинства сильных кислот хорошо растворимы в воде, но довольно значительно гидролизованы, и поэтому растворы их показывают кислую реакцию. Еще сильнее гидролизованы растворимые соли алюминия и слабых кислот. Вследствие гидролиза сульфид, карбонат, цианид и некоторые другие соли алюминия из водных растворов получить не удается.

В водной среде анион Al 3+ непосредственно окружен шестью молекулами воды. Такой гидратированный ион несколько диссоциирован по схеме:

[Al(OH 2) 6 ] 3+ + H 2 O = [Al(OH)(OH 2) 5 ] 2+ + OH 3 +

Константа его диссоциации равна 1. 10 -5,т.е. он является слабой кислотой (близкой по силе к уксусной). Октаэдрическое окружение Al 3+ шестью молекулами воды сохраняется и в кристаллогидратах ряда солей алюминия.

Алюмосиликаты можно рассматривать как силикаты, в которых часть кремниекислородных тетраэдров SiO 4 4- заменена на алюмокислородные тетраэдры AlO 4 5-. Из алюмосиликатов наиболее распространены полевые шпаты, на долю которых приходится более половины массы земной коры. Главные их представители - минералы

ортоклаз K 2 Al 2 Si 6 O 16 или K 2 O. Al 2 O 3. 6SiO 2

альбит Na 2 Al 2 Si 6 O 16 или Na 2 O. Al 2 O 3. 6SiO 2

анортит CaAl 2 Si 2 O 8 или CaO. Al 2 O 3. 2SiO 2

Очень распространены минералы группы слюд, например мусковит Kal 2 (AlSi 3 O 10)(OH) 2. Большое практическое значение имеет минерал нефелин (Na,K) 2 [Al 2 Si 2 O 8 ], который используется для получения глинозема содовых продуктов и цемента. Это производство складывается из следующих операций: a) нефелин и известняк спекают в трубчатых печах при 1200 о С:

(Na,K) 2 [Al 2 Si 2 O 8 ] + 2CaCO 3 = 2CaSiO 3 + NaAlO 2 + KAlO 2 + 2CO 2­

б) образовавшуюся массу выщелачивают водой - образуется раствор алюминатов натрия и калия и шлам CaSiO 3:

NaAlO 2 + KAlO 2 + 4H 2 O = Na[Al(OH) 4 ] + K[Al(OH) 4 ]

в) через раствор алюминатов пропускают образовавшийся при спекании CO 2:

Na[Al(OH) 4 ] + K[Al(OH) 4 ] + 2CO 2 = NaHCO 3 + KHCO 3 + 2Al(OH) 3

г) нагреванием Al(OH) 3 получают глинозем:

2Al(OH) 3 = Al 2 O 3 + 3H 2 O

д) выпариванием маточного раствора выделяют соду и потаж, а ранее полученный шлам идет на производство цемента.

При производстве 1 т Al 2 O 3 получают 1 т содопродуктов и 7.5 т цемента.

Некоторые алюмосиликаты обладают рыхлой структурой и способны к ионному обмену. Такие силикаты - природные и особенно искусственные - применяются для водоумягчения. Кроме того, благодаря своей сильно развитой поверхности, они используются в качестве носителей катализаторов, т.е. как материалы, пропитываемые катализатором.

Галогениды алюминия в обычных условиях - бесцветные кристаллические вещества. В ряду галогенидов алюминия AlF 3 сильно отличается по свойствам от своих аналогов. Он тугоплавок, мало растворяется в воде, химически неактивен. Основной способ получения AlF 3 основан на действии безводного HF на Al 2 O 3 или Al:

Al 2 O 3 + 6HF = 2AlF 3 + 3H 2 O

Соединения алюминия с хлором, бромом и иодом легкоплавки, весьма реакционноспособны и хорошо растворимы не только в воде, но и во многих органических растворителях. Взаимодействие галогенидов алюминия с водой сопровождается значительным выделением теплоты. В водном растворе все они сильно гидролизованы, но в отличие от типичных кислотных галогенидов неметаллов их гидролиз неполный и обратимый. Будучи заметно летучими уже при обычных условиях, AlCl 3, AlBr 3 и AlI 3 дымят во влажном воздухе (вследствие гидролиза). Они могут быть получены прямым взаимодействием простых веществ.

Плотности паров AlCl 3, AlBr 3 и AlI 3 при сравнительно невысоких температурах более или менее точно соответствуют удвоенным формулам - Al 2 Hal 6. Пространственная структура этих молекул отвечает двум тетраэдрам с общим ребром. Каждый атом алюминия связан с четырьмя атомами галогена, а каждый из центральных атомов галогена - с обоими атомами алюминия. Из двух связей центрального атома галогена одна является донорно-акцепторной, причем алюминий функционирует в качестве акцептора.

С галогенидными солями ряда одновалентных металлов галогениды алюминия образуют комплексные соединения, главным образом типов M 3 [AlF 6 ] и M[AlHal 4 ] (где Hal - хлор, бром или иод). Склонность к реакциям присоединения вообще сильно выражена у рассматриваемых галогенидов. Именно с этим связано важнейшее техническое применение AlCl 3 в качестве катализатора (при переработке нефти и при органических синтезах).

Из фторалюминатов наибольшее применение (для получения Al, F 2, эмалей, стекла и пр.) имеет криолит Na 3 [AlF 6 ]. Промышленное производство искусственного криолита основано на обработке гидроксида алюминия плавиковой кислотой и содой:

2Al(OH) 3 + 12HF + 3Na 2 CO 3 = 2Na 3 [AlF 6 ] + 3CO 2 + 9H 2 O

Хлоро-, бромо- и иодоалюминаты получаются при сплавлении тригалогенидов алюминия с галогенидами соответствующих металлов.

Хотя с водородом алюминий химически не взаимодействует, гидрид алюминия можно получить косвенным путем. Он представляет собой белую аморфную массу состава (AlH 3) n. Разлагается при нагревании выше 105 о С с выделением водорода.

При взаимодействии AlH 3 с основными гидридами в эфирном растворе образуются гидроалюминаты:

LiH + AlH 3 = Li[AlH 4 ]

Гидридоалюминаты - белые твердые вещества. Бурно разлагаются водой. Они - сильные восстановители. Применяются (в особенности Li[AlH 4 ]) в органическом синтезе.

Сульфат алюминия Al 2 (SO 4) 3. 18H 2 O получается при действии горячей серной кислоты на оксид алюминия или на каолин. Применяется для очистки воды, а также при приготовлении некоторых сортов бумаги.

Алюмокалиевые квасцы KAl(SO 4) 2. 12H 2 O применяются в больших количествах для дубления кож, а также в красильном деле в качестве протравы для хлопчатобумажных тканей. В последнем случае действие квасцов основано на том, что образующиеся вследствие их гидролиза гидроксид алюминия отлагается в волокнах ткани в мелкодисперсном состоянии и, адсордбируя краситель, прочно удерживает его на волокне.



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-01-23; просмотров: 325; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.235.180.245 (0.161 с.)