Как из оксида алюминия получить алюминий? Химические формулы

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 + 3Н_2. 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.