Оксид алюмінію

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Оксид алюмінію
Corundum-3D-balls.png
структура Al2O3
Oxid hlinitý.JPG
Назва за IUPAC Алюміній оксид
Інші назви корунд, глінозем
Ідентифікатори
Номер CAS 1344-28-1
Властивості
Молекулярна формула Al2O3
Густина 3,97 г/см3
Тпл 2043 °C
Ткип прибл. 3000 °C
Розчинність (вода) нерозчинний
Розчинність (органічні розчинники) розчинний
Термохімія
Ст. ентальпія
утворення
ΔfHo298
-1675,7 кДж/моль
Ст. ентропія So298 50,9 Дж/моль·К
Теплоємність, cop 79,0 Дж/моль·К
Пов'язані речовини
Пов'язані речовини оксид берилію
Якщо не зазначено інше, дані приведені для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа)
Інструкція з використання шаблону
Примітки картки

Окси́д алюмі́нію (рос. алюминия оксид, англ. aluminium oxide, нім. Aluminiumoxyd) — неорганічна сполука Алюмінію з Оксигеном складу Al2O3. Представляє собою білі кристали, хімічно дуже стійкі, температура плавлення 2050 °C. У воді оксид алюмінію не розчиняється і не взаємодіє з нею. Проявляє амфотерні властивості.

Зустрічається у природі у вигляді мінералів корунду, рубіну, сапфіру. Сполуку застосовують для одержання алюмінію, виготовлення вогнетривів, абразивів, каталізаторів, сорбентів тощо.

Окрім оксиду Al2O3 існують також оксиди Al2O та AlO.

Поширення у природі[ред.ред. код]

Виробництво глинозему у світі у відсотках для кожної окремо взятої країни в 2005 році порівняно з лідером Австралією (100% = 17 704 000 тонн).

Алюміній має високу хімічну активність і тому в природі зустрічається тільки в зв'язаному стані, у формі різних мінералів і гірських порід. Близько 250 різних мінералів містять алюміній. Проте основною сировиною для виробництва глинозему служить боксит (приблизно 95 % світового виробництва глинозему). Пояснюється це головним чином тим, що вміст оксиду алюмінію в промислових сортах бокситу вище, а кремнезему нижче, ніж в інших алюмінієвих рудах, а також нефелінів та алунітів. Запаси сировинних матеріалів у світі в цілому обмежені, а в Україні взагалі немає промислових запасів цих мінералів.

Багато видів небокситової сировини вигідно відрізняються від бокситу тим, що містять у своєму складі, крім оксиду алюмінію, і інші корисні елементи, як, наприклад, натрій і калій у нефеліні, лужні метали і сірка в алуніті й ін. Тому промислова переробка цих руд на глинозем, незважаючи навіть на знижений вміст у них оксиду алюмінію, цілком доцільна і вигідна, якщо переробку вести комплексно, тобто з використанням не тільки оксиду алюмінію, але й інших складових цих руд. Таким, наприклад, є виробництво глинозему з глинистої сировини, при якому поряд із глиноземом можна одержувати соду, поташ і цемент. Особливо це актуально для Донецької області, де багато родовищ глини, у тому числі з високим вмістом Al2O3. Наприклад часів'ярська особлива глина містить до 35 % А12O3

Хімічні властивості[ред.ред. код]

Оксид алюмінію є малоактивною сполукою: не взаємодіє з водою, розведеними кислотами та лугами. Проте реагує з гарячими концентрованими кислотами й лугами, а також під час спікання, чим проявляє амфотерні властивості:

\mathrm{ Al_2O_3 + 6HCl (conc.) \rightarrow \ 2AlCl_3 + 3H_2O }
\mathrm{ Al_2O_3 + 2NaOH + 3H_2O \rightarrow \ 2NaAl(OH)_4}
\mathrm{ Al_2O_3 + 2NaOH \rightarrow{900-1100^oC} \ NaAlO_2 + H_2O}

Взаємодіє також із кислотними та осно́вними оксидами:

\mathrm{ Al_2O_3 + 3N_2O_5 \xrightarrow{35-40^oC} \ 2Al(NO_3)_3 }
\mathrm{ Al_2O_3 + MgO \xrightarrow{1600^oC} \ Mg(AlO_2)_2}

Під дією коксу алюміній відновлюється з оксиду і переходить у солі:

\mathrm{ 2Al_2O_3 + 9C \xrightarrow{1800^oC} \ Al_4C_3 + 6CO}
\mathrm{ Al_2O_3 + 2C + 3Cl_2 \xrightarrow{800-900^oC} \ 2AlCl_3 + 3CO}

При електролізі оксиду алюмінію у розплаві Na3[AlF]6 на катоді виділяється чистий алюміній. Це промисловий спосіб його отримання:

\mathrm{ 2Al_2O_3 \xrightarrow{electrolysis, 900^oC} \ 4Al + 3O_2\uparrow}

Отримання[ред.ред. код]

Промислове виробництво[ред.ред. код]

Відкритий у 1899 р. Байєром так званий гідрохімічний спосіб одержання оксиду алюмінію з бокситів і донині є основним у світовій алюмінієвій промисловості. Цей спосіб досить ефективний і простий, але він може застосовуватися тільки при використанні високоякісних, низькокремнистих бокситів з невеликим змістом домішок. Світові запаси таких матеріалів обмежені. Широке поширення одержав спосіб спікання — більш дорогий, але універсальніший, сировиною для якого служать боксити нижчої якості, нефеліни, алуніти, глиниста сировина, каолініти, кам'яновугільний попіл, серицити й інші алюмосилікатні породи, запаси яких практично невичерпні. Тому переробка цієї сировини способом спікання на глинозем, незважаючи навіть на знижений вміст оксиду алюмінію, цілком доцільна і вигідна, тому що крім глинозему при способі спікання утворюються побічні корисні продукти. Крім класичних способів отримання глинозему — гідрохімічного та спікання, у виробництво впроваджені й інші апаратурно-технологічні схеми виробництва глинозему:

  • паралельно і послідовно комбіновані способи Байєр-спікання для переробки низькокремнистих і висококремнистих бокситів,
  • спосіб спікання для переробки висококремнистих бокситів і нефелінів,
  • відновно-лужний спосіб для переробки алунітів, гідролужні способи для переробки низькоякісних бокситів і нефелінів.

Одержання в лабораторії[ред.ред. код]

Досліджується можливість отримати оксид алюмінію способом спікання з глинистої сировини. В якості об'єкта дослідження взято глину часів'ярську особливу, яка має наступний хімічний склад: 35 % Al2O3, 4 % Na2O,K2O, 50 % SiO2, 0,5 % Fe2O3 і 1 % CaO (мас. %). В лабораторних умовах на основі глини складалися суміші для спікання з карбонатною породою (крейда). Крейда вводиться в шихту згідно з молярним співвідношенням СаО:SiO2, яке дорівнює 2,0 ± 0,03. Для отримання малорозчинного ортосилікату кальцію (2CaO-SiO2). Вихідні матеріали попередньо подрібнювались, дозувалися та ретельно змішувались. Підготовлену шихту спікали при 1200 °C з витримкою впродовж 30 хвилин у муфельній електричній печі. Ця стадія направлена на зв'язування оксиду кремнію й переводу оксиду алюмінію до розчинної у воді сполуки. Цей процес характеризуються наступною узагальненою хімічною реакцією:

\mathrm{ (Na,K)_2\cdot Al_2O_3\cdot 2SiO_2 + 4CaCO_3 \rightarrow \ (Na,K)_2O\cdot Al_2O_3 + 2(2CaO\cdot SiO_2) + 4CO_2 }

Подрібнений спік для відділення алюмінатів лужних металів від решти спіку піддавали вилуговуванню. Вилуговування проводилося гарячим насиченим лужним розчином. Після вилуджування необхідно знекремнити розчин, тобто видалити кремнезем, який знаходиться у розчині, для підвищення якості глинозему. Знекремнення проводили у дві стадії. На першій стадії створюються умови для найповнішої кристалізації гідроалюмосилікату натрію. Друга стадія — це стадія глибокого знекремнення. Знекремнення проводилось довгим кип'ятінням розчину на електричній плитці.

\mathrm{ 3CaO\cdot Al_2O_3\cdot mSiO_2\cdot (6-2m)H_2O + 3mNa_2CO_3 + 2mH_2O \rightarrow \ 3CaCO_3 + mNa_2SiO_2(OH)_2 + 2NaAl(OH)_4 + 2(2-m)NaOH}

Вилучення гідрату алюмінію здійснювалось шляхом карбонізації: протягом 5 годин при температурі 80 °C крізь розчин повільно пропускався вуглекислий газ. При цьому сполуки натрію й калію, що міститься в розчині, переводяться у гідрокарбонати, що викликає випадіння гідрату алюмінію в осад. Процес відбувається за трьома такими реакціями:

\mathrm{ 2NaOH + CO_2 \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O }
\mathrm{ NaAl(OH)_4 \rightarrow NaOH + Al(OH)_3 }
\mathrm{ Na_2CO_3 + 2Al(OH)_3 \rightarrow Na_2O\cdot Al_2O_3\cdot 2CO_2\cdot 2H_2O + 2NaOH}

На заключному етапі гідрат відфільтровувався. Попередні лабораторні дослідження показали, що можна вилучити приблизно 80 % оксиду алюмінію, який міститься у глині. Необхідні подальші дослідження, які повинні бути спрямовані на оптимізацію технології, на підвищення ефективності вилучення глинозему.

Застосування[ред.ред. код]

Оксид алюмінію, або глінозем, є основним вихідним матеріалом для виробництва алюмінію. Крім цього, він використовується й в інших сферах народного господарства: для виробництва багатьох видів кераміки, різних сортів скла, нанесення покриттів для захисту металів від окиснення, дії агресивних середовищ і ерозійного зносу, і т. д.

Див. також[ред.ред. код]

Джерела[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]