Алюминий обладает свойствами, которые применимы во многих промышленностях: военном деле, строительстве, питании, транспорте и др. Он пластичный, легкий и широко распространен в природе. Многие люди даже не подозревают того, как широко можно использовать алюминий.
Многие сайты и книги описывают этот чудесный металл и его свойства. Информация находится в свободном доступе.
В лаборатории можно производить любые соединения алюминия, но в малых количествах и по высоким ценам.
История добычи элемента
Вплоть до середины девятнадцатого века ни об алюминии, ни о восстановлении его оксида речи не шло. Первая попытка получения алюминия была предпринята химиком Х. К. Эрстедом и закончилась успешно. Чтобы восстановить металл из его оксида, он использовал амальгамированный калий. Но никто не понял, что получилось в итоге.
Прошло несколько лет, и алюминий снова был получен химиком Велером, который нагрел безводный хлорид алюминия с калием. Ученый упорно трудился 20 лет и, наконец, сумел создать гранулированный металл. По цвету он напоминал серебро, но был легче него в несколько раз. Длительное время до начала двадцатого века алюминий ценился больше золота и выставлялся в музеях как экспонат.
Где-то в начале XIX века английский химик Дэви провел электролиз оксида алюминия и получил металл, названный "алюмиум" или "алюминум", что можно переводить как "квасцы".
Алюминий очень трудно отделить от других веществ - это одна из причин его дороговизны в то время. Ученое собрание и промышленники быстро узнали о потрясающих свойствах нового металла и продолжили попытки его добычи.
В больших количествах алюминий стали получать уже в конце того же девятнадцатого века. Ученый Ч. М. Холлом предложил растворять оксид алюминия в расплаве криолита и пропускать эту смесь через электрический ток. Через какое-то время в сосуде появлялся чистый алюминий. В промышленности и сейчас производят металл этим методом, но об этом позже
Для производств нужна прочность, которой, как выяснилось чуть позднее, у алюминия не было. Тогда металл стали сплавлять с иными элементами: магнием, кремнием и т. д. Сплавы были намного прочнее обычного алюминия - именно из них стали выплавлять самолеты и военную технику. А придумали слить алюминий и другие металлы в единое целое в Германии. Там же, в Дюрене, сплав, названный дюралюминием, поставили на производство.
Как из оксида алюминия получить алюминий
В рамках школьной программы по химии проходят тему "Как из оксида металла получить чистый металл".
К этому методу мы можем отнести и наш вопрос, как из оксида алюминия получить алюминий.
Чтобы образовать металл из его оксида, нужно добавить восстановитель - водород. Пойдет реакция замещения с образованием воды и металла: МеО + Н2 = Ме + Н2О (где Ме - металл, а Н2 - водород).
Пример с алюминием: Al2О3 + 3Н2 = 2Al + 3Н2О
На практике такой прием позволяет получать чистые активные металлы, которые не восстанавливаются оксидом углерода. Метод подходит для очистки небольшого количества алюминия и довольно-таки дорого стоит.
Как получить алюминий из оксида алюминия через добавление более электроотрицательного металла
Чтобы получить алюминий этим способом, нужно подобрать более электроотрицательный металл и добавить его к оксиду - он вытеснит наш элемент из кислородного соединения. Более электроотрицательный металл - это тот, что стоит левее в электрохимическом ряду (на фото к подзаголовку - выше).
Примеры: 3Mg + Al2О3 = 2Al + 3MgO
6К + Al2О3 = 2Al + 3К2О
6Li + Al2О3 = 2Al + 3Li2О
Но как получить алюминий из оксида алюминия в условиях широкой промышленности?
Промышленный способ
Большинство производств для добычи элемента используют руды, которые называют бокситами. Сначала из них выделяют оксид, потом растворяют его в расплаве криолита, а затем получают чистый алюминий путем электрохимической реакции.
Это обходится дешевле всего и не требует дополнительных операций.
Кроме того, можно получить хлорид алюминия из оксида алюминия. Как это сделать?
Получение хлорида алюминия
Хлоридом алюминия называют среднюю (нормальную) соль из соляной кислоты и алюминия. Формула: AlCl3.
Для получения нужно добавить кислоту.
Уравнение реакции выглядит следующим образом - Al2О3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3Н2О.
Как получить хлорид алюминия из оксида алюминия, не добавляя кислот?
Для этого надо прокалить спрессованную смесь оксида алюминия и углерода (сажа) в токе хлора при 600-800 гр. Хлорид должен отогнаться.
Эту соль применяют в качестве катализатора многих реакций. Ее главная роль - образование продуктов присоединения с разными веществами. Хлоридом алюминия протравливают шерсть, и его добавляют в антиперспиранты. Также соединение играет не последнюю роль в переработке нефти.
Получение гидроксоалюмината натрия
Как из оксида алюминия получить гидроксоалюминат натрия?
Чтобы получить это сложное вещество, можно продолжить цепочку превращений и сначала получить из оксида хлорид, а потом добавить гидроксид натрия.
Хлорид алюминия - AlCl3, гидроксид натрия - NaOH.
Al2O3 → AlCl3 → Na[Al(OH)4]
Al2О3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3Н2О
AlCl3 + 4NaOH (концентрированный) = Na[Al(OH)4] + 3NaCl5
Но как из оксида алюминия получить тетрагидроксоалюминат натрия, избегая превращения в хлорид?
Чтобы из оксида алюминия получить алюминат натрия, нужно создать гидроксид алюминия и добавить к нему щелочь.
Следует напомнить, что щелочь - это основание, растворимое в воде. Сюда относят гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов (I и II группа таблицы Менделеева).
Al→ Al(ОН)3 → Na[Al(OH)4]
Из оксидов металлов средней активности, к которым относится алюминий, нельзя получать гидроксиды. Поэтому сначала мы восстановим чистый металл, например, через водород:
Al2О3 + 3Н2 = 2Al + 3Н2О.
А потом получим гидроксид.
Чтобы получить гидроксид, надо растворить алюминий в кислоте (для примера, во фтороводородной): 2Al + 6HF = 2AlF3 + 3Н2. А затем прогидролизовать полученную соль с добавлением равного количества щелочи в разбавленном растворе: AlF3 +3NaOH = Al(ОН)3 + 3NaF.
И дальше: Al(ОН)3 + NaOH = Na[Al(ОН)4]
(Al(ОН)3 - амфотерное соединение, которое может взаимодействовать и с кислотами, и с щелочами).
Тетрагидроксоалюминат натрия отлично растворяется в воде, а еще это вещество широко применяют в оформлении и добавляют в бетон, чтобы ускорить отвердевание.
Про метаалюминаты
Начинающие производители глинозема, наверное, задавались вопросом: "Как из оксида алюминия получить метаалюминат натрия?"
Алюминаты используются в широком производстве для ускорения некоторых реакций, окрашивания тканей и получения глинозема.
Лирическое отступление: глинозем - это, по сути, и есть оксид алюминия Al2О3.
Обычно оксид добывают из метаалюминатов, но здесь будет рассмотрен "обратный" способ.
Итак, чтобы получить наш алюминат, нужно просто смешать оксид натрия с оксидом алюминия при очень высокой температуре.
Случится реакция соединения - Al2О3 + Na2О = 2NaAlO2
Для нормального протекания требуется температура в 1200°C.
Можно проследить за изменением энергии Гиббса в реакции:
Na2O(к.)+ Al2O3(к.)= 2NaAlO2(к.), ΔG0298= -175 кДж.
Еще одно лирическое отступление:
Энергия Гиббса (или "свободная энергия Гиббса") - это зависимость, которая существует между энтальпией (энергией, доступной для преобразований) и энтропией (мерой "хаоса", беспорядка в системе). Абсолютное значение измерить невозможно, поэтому измеряются изменения во время протекания процесса. Формула: G (энергия Гиббса) = Н (изменение энтальпии между продуктами и исходными веществами реакции) - Т (температура) * S (изменение энтропии между продуктами и исходниками). Измеряется в Джоулях.
Как из оксида алюминия получить алюминат?
Для этого подойдет и тот способ, который был рассмотрен выше - с глиноземом и натрием.
Оксид алюминия, смешанный с оксидом другого металла при высоких температурах, и дает метаалюминат.
Но еще можно сплавить гидроксид алюминия со щелочью в присутствии оксида углерода СО:
Al(ОН)3 + NaOH = NaAlO2 + 2Н2О.
Примеры:
- Al2О3 + 2КОН = 2KAlO2 + Н2О (здесь глинозем растворяется в едкой щелочи калия) - алюминат калия;
- Al2О3 + Li2О = 2LiAlO2 - алюминат лития;
- Al2О3 + СаО = СаО × Al2О3 - сплавление оксида кальция с окисью алюминия.
Получение сульфата алюминия
Как получить сульфат алюминия из оксида алюминия?
Способ включен в школьную программу восьмых и девятых классов.
Сульфат алюминия - это соль вида Al2(SO4)3. Представлена может быть в виде пластинок или порошка.
Это вещество может разлагаться на оксиды алюминия и серы при температуре от 580 градусов. Сульфат используется для очистки воды от мельчайших частиц, очень полезен в пищевой, бумажной, тканевой и других отраслях производства. Он широко доступен благодаря своей низкой цене. Очистка воды происходит из-за некоторых особенностей сульфата.
Дело в том, что загрязняющие частицы имеют вокруг себя двойной электрический слой, а рассматриваемый реагент является коагулянтом, который, при проникновении в электрическое поле частиц, вызывает сжатие слоев и нейтрализует заряд частиц.
Теперь о самом методе. Чтобы получить сульфат, нужно смешать оксид и серную (не сернистую) кислоту.
Выходит реакция взаимодействия глинозема с кислотой:
Al2O3+3H2SO4=Al2(SO4)3+H2O
Вместо оксида можно добавить сам алюминий или его гидроксид.
В промышленности для получения сульфата используют уже известную из третьей части этой статьи руду - боксит. Ее обрабатывают серной кислотой и получают "загрязненный" сульфат алюминия. В боксите содержится гидроксид, а реакция в упрощенном виде выглядит так:
3H2SO4 + 2Al(OH)3 = Al2(SO4)3 + 6H2O
Бокситы
Боксит - это руда, состоящая сразу из нескольких минералов: железа, бемита, гиббсита и диаспора. Является главным источником добычи алюминия, образуется путем выветривания. Крупнейшие месторождения бокситов находятся в России (на Урале), США, Венесуэле (река Ориноко, штат Боливар), Австралии, Гвинее и Казахстане. Эти руды бывают моногидратными, тригидратными и смешанными.
Получение оксида алюминия
Про глинозем выше сказано много, но до сих пор не описано, как получить оксид алюминия. Формула - Al2О3.
А нужно всего-навсего сжечь алюминий в кислороде. Горение - процесс взаимодействия О2 и другого вещества.
Простейшее уравнение реакции выглядит следующим образом:
4Al + 3О2 = 2Al2О3
Оксид не растворяется в воде, но он хорошо растворим в криолите при высокой температуре.
Свои химические свойства оксид проявляет при температуре от 1000°С. Именно тогда он начинает взаимодействовать с кислотами и щелочами.
В естественных условиях корунд является единственный устойчивой вариацией вещества. Корунд очень твердый, с плотностью примерно 4000 г/м3. Твердость этого минерала по шкале Мооса - 9.
Оксид алюминия - амфотерный оксид. Легко преобразовывается в гидроксид (см. выше), а превратившись, сохраняет все свойства своей группы с преобладанием основных.
Амфотерные оксиды - это оксиды, которые могут проявлять как основные (свойства оксидов металлов), так и кислотные (оксидов неметаллов) свойства в зависимости от условий.
К амфотерным оксидам, исключая оксид алюминия, относятся: оксид цинка (ZnO), оксид бериллия (ВеО), оксид свинца (PbO), оксид олова (SnO), оксид хрома (Cr2О3), оксид железа (Fe2О3) и оксид ванадия (V2О5).
Соли: комплексные и не очень
Бывают средние (нормальные), кислые, основные и комплексные.
Средние соли состоят из самого металла и кислотного остатка и имеют вид AlCl3 (хлорид алюминия), Na2SO4 (сульфат натрия), Al(NO3)3 (нитрат алюминия) или MgPO4.
Кислые соли - это соли из металла, водорода и кислотного остатка. Их примеры: NaHSO4, CaHPO4.
Основные соли так же, как и кислые, состоят из кислотного остатка и металла, но вместо Н там ОН. Примеры: (FeOH)2SO4, Ca(OH)Cl.
И, наконец, комплексные соли - это вещества из ионов разных металлов и кислотного остатка многоосновной кислоты (соли, содержащие сложный ион): Na3[Co(NO2)6], Zn[(UO2)3(CH3COO)8].
Речь пойдет о том, как из оксида алюминия получить комплексную соль.
Условием превращения оксида в это вещество является его амфотерность. Глинозем отлично подходит для метода. Чтобы получить комплексную соль из оксида алюминия, нужно смешать этот оксид с раствором щелочи:
2NaOH + Al2O3 + H2O → Na2[Al(ОН)4]
Этот род веществ также образуется при воздействии растворов щелочей на амфотерные гидроксиды.
Раствор гидроксида калия взаимодействует с основанием цинка с получением тетрагидроксоцинката калия:
2KOH + Zn(OH)2 → K2[Zn(OH)4]
Раствор щелочи натрия реагирует, например, с гидроксидом берилия с образованием тетрагидроксобериллата натрия:
NaOH + Be(OH)2 → Na2[Be(OH)4]
Использование солей
Комплексные соли алюминия часто используют в фармацевтике, производстве витаминов и биологически активных веществ. Препараты, созданные на основе этих веществ, помогают в борьбе с похмельем, улучшают состояние желудка и общее самочувствие организма человека. Очень полезные соединения, как можно заметить.
Реактивы дешевле покупать в интернет-магазинах. Там большой выбор веществ, но сайты лучше выбирать надежные и проверенные временем. Если покупать что-то на «однодневках», то риск потерять деньги увеличивается.
При работе с химическими элементами нужно соблюдать правила безопасности: обязательно наличие перчаток, защитного стекла, специализированной посуды и приборов.
Эпилог
Химия – несомненно, сложная для понимания наука, но иногда полезно в ней разобраться. Проще всего это сделать через интересные статьи, простой слог и понятные примеры. Не лишним будет прочитать пару книг по теме и освежить в памяти курс школьной программы по химии.
Здесь было разобрано большинство тем химии, связанных с преобразованиями алюминия и его оксидов, в том числе, как из оксида алюминия получить тетрагидроксоалюминат, и еще множество интересных фактов. Оказалось, что у алюминия есть много самых необычных сфер применения в производстве и в быту, да и история получения металла весьма незаурядна. Химические формулы соединений алюминия тоже заслуживают внимания и подробного разбора, что и было освящено в этой статье.
